ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y
AGROINDUSTRIA
DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE
GRANZA DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE POLIETILENO
RECICLADO CON PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS
(ASERRÍN).
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
MARÍA VERÓNICA JARA SALME
([email protected])
DIRECTOR: ING. FRANCISCO QUIROZ
([email protected])
QUITO, DICIEMBRE 2015
© Escuela Politécnica Nacional (2015)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, María Verónica Jara Salme, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi
autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en
este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes
a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_____________________
María Verónica Jara Salme
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por la Srta. María Verónica Jara
Salme, bajo mi supervisión.
_________________________
Ing. Francisco Quiroz
DIRECTOR DE PROYECTO
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a mi Madre María por iluminar esta etapa de mi vida, y darme las fuerzas
para seguir adelante.
A mi Mami Mariana, por su apoyo, sacrificio y amor incondicional.
A mis tíos: Arnulfo, Mercedes, Norma y Rubén por ser mi soporte en las dificultades.
A mi prima Ana Victoria que logra hacer tangible el amor que me tiene Dios con su
vida, inyectándome fuerzas para cumplir mis metas.
A mi director Ingeniero Francisco Quiroz, por compartir sus conocimientos, ser un
ejemplo de vida, un amigo y un maestro que ha sabido guiarme en la ejecución de
este proyecto.
Al Ingeniero Vladimir Valle, por su apoyo, conocimiento, por su amistad y don de
gente que hace que un problema se transforme en solución.
Al Doctor Iván Chango por todo el tiempo que ha dedicado para compartir sus
conocimientos conmigo, gracias por ser un amigo de los que se llevan en el
corazón.
A la Tecnóloga Elizabeth Venegas, por su disponibilidad inmediata para solucionar
mis dudas, por cada consejo, por ser una amiga y un apoyo en el tiempo de
desarrollo de mi proyecto.
A todo el CIAP, particularmente al Ingeniero Miguel Aldas y al Ingeniero Omar
Bonilla, por prestarme las facilidades para realizar mi tesis, por ser más que un
equipo de trabajo, una familia en donde los tesistas se forman profesionalmente y
también como personas, me llevo en el corazón a cada uno de ustedes y cada
vivencia.
A mis amigos en especial a Raúl y Andreina por todos los momentos que hemos
compartido desde los primeros semestres, ustedes son los hermanos que he
escogido para mi vida.
A Diego por su amor y paciencia en este tiempo.
A mi Comunidad por sus oraciones y consejos.
DEDICATORIA
A mi madre Mariana, mujer valiente y luchadora que ha sabido guiarme, sacarme
adelante en las dificultades, educarme y transmitirme la Fe.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN
xiv
INTRODUCCIÓN
xvi
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1
1.1. Madera plástica
1
1.1.1. Definición
1
1.1.2. Estructura del wood plastic composite
3
1.1.2.1. Matriz polimérica
4
1.1.2.1.1. Polietileno de alta densidad
6
1.1.2.1.2. Obtención del polietileno de alta densidad
7
1.1.2.1.3. Propiedades del polietileno de alta densidad
11
1.1.2.1.4. Degradación del polietileno de alta densidad
12
1.1.2.2. Refuerzo
1.1.2.2.1. Componente lignocelulósico
1.1.2.3. Interfaz e interfase
13
15
19
1.1.2.3.1. Aditivos y agentes de acoplamiento
21
1.1.2.3.2. Poliolefinas maleizadas
23
1.2. Procesamiento de materiales reciclados para la obtención de madera plástica 24
1.2.1. Secado del aserrín
24
1.2.2. Mezclado
27
1.2.3. Extrusión del material compuesto
29
1.2.3.1. Extrusora de mono husillo
31
1.2.3.2. Extrusora de doble husillo contra-rotante
32
1.2.3.3. Extrusora de doble husillo co-rotante
34
1.2.4. Métodos de análisis en el procesamiento del wood plastic composite
1.2.4.1. Índice de fluidez
35
37
1.2.4.2. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourie FTIR 37
ii
1.2.4.3. Calorimetría diferencial de barrido DSC
38
1.2.4.3.1. Transición vítrea
39
1.2.4.3.2. Cristalización
40
1.2.4.3.3. Fusión
40
1.2.4.4. Termogravimetría
40
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Caracterización de las materias primas.
2.1.1. Polietileno de alta densidad
41
41
41
2.1.1.1. Acondicionamiento del polietileno
42
2.1.1.2. Caracterización del polietileno reciclado
43
2.1.2. Partículas lignocelulósicas
45
2.1.2.1 Acondicionamiento del aserrín
45
2.1.2.2. Caracterización del aserrín
47
2.1.3. Agente de acoplamiento
49
2.2. Evaluación de la capacidad de recepción que presenta el polietileno
reciclado al adicionar partículas lignocelulósicas.
49
2.2.1. Procesamiento de las formulaciones
50
2.2.1.1. Secado del aserrín
50
2.2.1.2. Mezclado
51
2.2.1.3. Molienda y secado del material obtenido
51
2.2.1.4. Obtención de placas
52
2.2.2. Evaluación de las formulaciones
53
2.2.2.1. Determinación de la dispersión
53
2.2.2.2. Ensayos mecánicos
53
2.3. Evaluación de la influencia del agente de acoplamiento.
2.3.1. Activación del aserrín
2.4. Diseño de una planta a escala piloto de granza de madera plástica.
2.4.1. Ingeniería conceptual
2.4.1.1. Capacidad y localización
2.4.2. Ingeniería básica
54
55
56
56
56
57
2.4.2.1. Balances de masa y energía
57
2.4.2.2. Selección y dimensionamiento de equipos
57
2.4.2.2.1. Curvas de calibración:
58
iii
2.4.2.2.2. Perfil de temperaturas
58
2.4.2.2.3. Mezclado del material en la extrusora
59
2.4.2.2.4. Calibración del peletizador
60
2.5. Determinación de la inversión económica requerida.
60
2.5.1. Costos de materia prima
60
2.5.2. Costos de equipos y servicios auxiliares
61
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Caracterización de las materias primas
3.1.1. Polietileno de alta densidad reciclado
62
62
62
3.1.1.1. Caracterización estructural
62
3.1.1.2. Determinación de la procesabilidad
71
3.1.2. Partículas lignocelulósicas
73
3.1.2.1. Humedad inicial
73
3.1.2.2. Curva de hidratación
74
3.1.2.3. Contenido de cenizas
75
3.1.2.4. Densidad aparente
75
3.1.2.5. Separación por tamaños
76
3.1.2.6. Termogravimetría
78
3.1.3. Agente de acoplamiento
79
3.1.3.1. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourier
79
3.1.3.2. Calorimetría diferencial de barrido DSC
80
3.1.3.3. Termogravimetría
81
3.2. Evaluación de la capacidad de recepción que presenta el polietileno
reciclado al adicionar partículas lignocelulósicas.
82
3.2.1. Mezclado
82
3.2.2. Evaluación de las formulaciones
85
3.2.2.1. Determinación de la dispersión
85
3.2.2.2. Ensayos mecánicos
87
3.3. Evaluación de la influencia del agente de acoplamiento.
92
3.3.1. Mezclado
92
3.3.2. Evaluación de las formulaciones
93
3.3.2.1. Determinación de la dispersión
93
3.3.2.2 Ensayos mecánicos
95
iv
3.4. Activación del aserrín
98
3.5. Ensayos de dureza y densidad de los materiales finales obtenidos
99
3.5.1.Ensayos de dureza
99
3.5.2. Determinación de la densidad del material compuesto final
100
3.5.3. Determinación de la densidad aparente del material compuesto final
101
3.6. Diseño de una planta a escala piloto de granza de madera plástica.
3.6.1. Ingeniería conceptual
102
102
3.6.1.1. Definición del producto
102
3.6.1.2. Campo de aplicación
102
3.6.1.3. Capacidad y localización
103
3.6.2. Ingeniería básica
104
3.6.2.1. Selección del proceso de mezcla
104
3.6.2.2. Descripción del proceso
106
3.6.2.3. Flujos másicos de las materias primas
107
3.6.2.4. Consumo energético de la planta
108
3.6.2.5. Diagramas PFD y BFD
109
3.6.2.6. Dimensionamiento y selección de equipos
114
3.6.2.6.1. Extrusor
114
3.6.2.6.2. Evaluación de los parámetros de procesamiento
116
3.7. Determinación la inversión económica requerida.
122
3.7.1. Costos de materia prima
122
3.7.2. Costos de equipos y servicios auxiliares
123
3.7.3. Gastos servicios básicos
124
3.7.4. Gastos operativos
124
3.7.5. Costo de producción
125
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
126
4.1. Conclusiones
126
4.2. Recomendaciones
129
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
130
ANEXOS
135
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1
Propiedades que la celulosa a altas concentraciones le confiere a una
fibra natural (Guerrero, 2011, p. 82)
Tabla 1.2
16
Ventajas y desventajas de utilizar fibras naturales como refuerzo en
materiales compuestos (Baille, 2004, p. 76)
Tabla 1.3
18
Propiedades de las fibras vegetales y fibras artificiales
(Guerrero, 2011, p. 85)
Tabla 3.1
19
Densidad del polietileno de alta densidad reciclado según la norma
ASTM D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión
Tabla 3.2
62
Valores del índice de fluidez del polietileno de alta densidad reciclado
sin pasar por el reómetro y después de haber pasado por el reómetro por
tres ocasiones.
Tabla 3.3
71
Densidad aparente del polietileno de alta densidad reciclado según la
norma ASTM D1895-96
73
Tabla 3.4
Densidad aparente del aserrín
76
Tabla 3.5
Peso del aserrín retenido en cada uno de los tamices para determinar
los tamaños de partícula
Tabla 3.6
Valores del ensayo de tracción realizado a la mezcla al 15 % de aserrín
activado con 1 % de agente de acoplamiento.
Tabla 3.7
Valores de dureza del polietileno reciclado y de las mezclas finales.
Tabla 3.8
Densidad del material compuesto según la norma ASTM D792 – 08
con agua destilada como liquido de inmersión
Tabla 3.9
77
99
100
101
Densidad aparente del material compuesto según la norma
ASTM D1895-96
101
Tabla 3.10
Porcentaje de los componentes del WPC producido
102
Tabla 3.11
Composición de la madera plástica producida.
103
Tabla 3.12
Flujos másicos del polietileno de alta densidad, aserrín, agente de
acoplamiento
107
Tabla 3.13
Flujo másico del agua que sale del secador
108
Tabla 3.14
Consumo energético de los equipos utilizados en la planta
108
vi
Tabla 3.15
Nomenclatura de los equipos utilizados en la planta piloto de
producción de madera plástica
Tabla 3.16
Tabla 3.17
Tabla 3.18
114
Parámetros del extrusor para el procesamiento del WPC a partir
de polietileno reciclado
115
Precios referenciales de las materias primas utilizadas.
122
Precios de los equipos requeridos para la planta de la planta piloto de
madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas
lignocelulósicos
123
Tabla 3.19
Costos de consumo de luz y agua para la planta
124
Tabla 3.20
Salario de los trabajadores de la planta
124
Tabla A I.1.
Valores para el cálculo de la densidad del polietileno de alta
densidad reciclado
136
Tabla A I.2.
Valores para el cálculo de la densidad del WPC
136
Tabla AII.1.
Valores para el cálculo de la densidad aparente del aserrín
137
Tabla AII.2.
Valores para el cálculo de la densidad aparente del polietileno
137
Tabla AII.3.
Valores para el cálculo de la densidad aparente de la mezcla final
138
Tabla AIII.1.
Masa de los componentes que ingresan en el reómetro
para la mezcla de polietileno reciclado junto con aserrín.
Tabla A III.2.
140
Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla
de polietileno reciclado, aserrín y agente de acoplamiento
140
Tabla A IV.1.
Balance de masa de la planta de producción de madera plástica
142
Tabla A IV.2.
Balance de masa del agua que sale del secador
142
Tabla A IV.3.
Valores de prueba y error para la determinación del diámetro y del
intereje del extrusor para una producción de 20,83 kg/h
Tabla A IV.4.
144
Valores de longitud mínimo, medio y máximo por zonas
del husillo para la determinación de su longitud máxima
con un diámetro de 35 mm
Tabla A IV.5.
145
Valores mínimos y máximos de alturas de filetes en la zona de
alimentación y dosificación
146
vii
Tabla A VI.1.
Calibración de la tolva secundaria con aserrín de 140 µm
151
Tabla A VI.2.
Calibración de la tolva secundaria con agente de acoplamiento
152
Tabla AVI.3.
Calibración de la tolva principal con PEHDR
153
Tabla A VI.4.
Calibración de la tolva principal con la mezcla de PEHDR y
154
agente de acoplamiento
Tabla A VI.5.
Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla
155
polietileno-agente de acoplamiento
Tabla A VI.6.
Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla
156
final obtenida
Tabla AVII.1.
Valores de ensayo de tracción de las diferentes concentraciones
157
sin el uso de agente de acoplamiento
Tabla A VII.2.
Valores de ensayo de flexión de las diferentes concentraciones
158
sin el uso de agente de acoplamiento
Tabla A VII.3.
Valores del ensayo de tracción del material compuesto al 15 %
159
de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento.
Tabla A VII.4.
Valores del ensayo de flexión del material compuesto al 15 % de
160
aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento
Tabla A X.1.
Materias primas que se utilizarán en un día
179
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1
“Plastic lumber” y “wood plastic composite”
2
Figura 1.2
Diagrama tensión - alargamiento material compuesto
4
Figura 1.3
Estructura química del etileno monómero y del polietileno macromolécula 6
Figura 1.4
Representación esquemática del polietileno de alta densidad
7
Figura 1.5
Polimerización del etileno mediante catalizador Ziegler – Natta
9
Figura 1.6
Polimerización del etileno mediante catálisis Phillips
10
Figura 1.7
Tipos de materiales de refuerzos
13
Figura 1.8
Estructura de la molécula de celulosa
15
Figura 1.9
Esquema de los componentes de la pared celular de las fibras vegetales
17
Figura 1.10
Descripción esquemática de la interfaz y la interfase en una sección
transversal de WPC
Figura 1.11
20
Esquema de la interacción de los grupos hidroxilo del componente
lignocelulósico con el agente de acoplamiento
24
Figura 1.12
Esquema de un secador rotatorio
26
Figura 1.13
Mezclado distributivo del componente minoritario en la matriz
27
Figura 1.14
Mezclado dispersivo del componente minoritario en la matriz
28
Figura 1.15
Esquema de un mezclador Bambury
28
Figura 1.16
Diagrama de los sistemas de extrusión aplicados a la mezcla de materiales
compuestos
31
Figura 1.17
Esquema básico de una extrusora mono-husillo
32
Figura 1.18
Esquema básico de una extrusora de doble-husillo contra-rotante
33
Figura 1.19
Esquema básico de una extrusora de doble-husillo co-rotante
34
Figura 1.20
Maquina de ensayos universales flexión – tracción
35
Figura 1.21
Esquema de un termograma típico de un polímero semicristalino
39
Figura 2.1
Jabas en mal estado antes de ser cortadas y cortadas.
41
Figura 2.2
Preparación del polietileno proveniente de las jabas de cerveza para su
reciclaje.
42
Figura 2.3
Tonalidades del polietileno reciclado.
44
Figura 2.4
Proceso de cuarteo del aserrín
46
Figura 2.5
Preparación del aserrín para el procesado.
47
ix
Figura 2.6
Pasos del procesamiento del material compuesto
50
Figura 2.7
Molde tipo flash utilizado en el moldeo por compresión
52
Figura 2.8
Activación del aserrín por el método alcalino, utilizando una solución de
Na(OH) al 3 % W/V
Figura 3.1
Clasificación por colores del polietileno existentes en el material
reciclado
Figura 3.2
66
Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la
zona de los grupos carbonilos entre 1 880 y 1 580 cm-1
Figura 3.6
65
Espectro ampliado del polietileno reciclado sobrepuesto al polipropileno
isotáctico
Figura 3.5
64
Espectro de los diferentes colores presentes en el polietileno reciclado
sobrepuesto un espectro estándar de polipropileno.
Figura 3.4
63
Espectros del polietileno reciclado de las tres muestras sobrepuesto un
espectro estándar de polietileno de alta densidad
Figura 3.3
56
66
Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la
zona de los grupos vinílicos entre 1 020 y 8 86,2 cm-1
67
Figura 3.7
Termograma del polietileno reciclado de color amarillo
69
Figura 3.8
Termograma del polietileno reciclado de color tomate
69
Figura 3.9
Termograma del polietileno reciclado color rojo
69
Figura 3.10
Termogravimetria del polietileno de alta densidad reciclado.
70
Figura 3.11
Índice de fluidez del polietileno reciclado pasado por el reómetro
en tres ocasiones
72
Figura 3.12
Curvas de hidratación del aserrín seco durante 72 h
74
Figura 3.13
Determinación del D80 del aserrín distribución granulometría
77
Figura 3.14
Termogravimetría del aserrín reciclado
78
Figura 3.15
Espectro infrarrojo del agente de acoplamiento licocene PE MA 4351
79
Figura 3.16
Termograma del agente de acoplamiento PE MA 4351
81
Figura 3.17
Termogravimetría del agente de acoplamiento utilizado
82
Figura 3.18
Reograma del polietileno reciclado pasado por el reómetro
83
Figura 3.19
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %
84
Figura 3.20
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %
84
Figura 3.21
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %
85
x
Figura 3.22
Placas de las muestras a diferentes concentraciones de aserrín
sin adicionar agente de acoplamiento
Figura 3.23
86
Probetas de las muestras a contra luz en el negatoscopio al
5 %, 15 % y 45 % de aserrín
87
Figura 3.24
Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración del aserrín 88
Figura 3.25
Deformación al pico y deformación a la ruptura versus concentración del
aserrín
89
Figura 3.26
Módulo de Young versus las diferentes concentración de aserrín
90
Figura 3.27
Límite elástico versus concentración de aserrín
91
Figura 3.28
Módulo de flexión versus las diferentes concentración de aserrín
92
Figura 3.29
Reograma de la mezcla polietileno - aserrín al 15 % con agente
de acoplamiento al 1%
Figura 3.30
93
Placas de las muestras de polietileno - aserrín al 15 % con agente de
acoplamiento en concentraciones del 0,5 – 5 %.
Figura 3.31
94
Probeta al 15 % de aserrín con 1% de agente de acoplamiento a contraluz
en el negatoscopio.
Figura 3.32
94
Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración de agente de
acoplamiento
Figura 3.33
95
Deformación al pico y a la ruptura versus concentración de agente de
acoplamiento
96
Figura 3.34
Modulo de Young versus concentración de agente de acoplamiento
96
Figura 3.35
Límite elástico versus concentración del agente de acoplamiento
97
Figura 3.36
Modulo de Young de la mezcla a una concentración del 15 % de aserrín
variando el contenido de agente de acoplamiento
Figura 3.37
Ubicación de la planta piloto de granza de madera plástica
Figura 3.38
Diagrama del proceso de mezcla de las materias primas de la madera
plástica
Figura 3.39
105
110
Diagrama de Flujo del proceso de obtención de madera plástica a partir de
polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
Figura 3.41
104
Diagrama de bloques del proceso de obtención de madera plástica a
partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
Figura 3.40
98
111
Plano de distribución Lay Out de la planta piloto de madera plástica a
partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
112
xi
Figura 3.42
Corte frontal y transversal de la planta piloto de madera plástica a partir de
polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
Figura 3.43
Esquema del husillo con el que se determinó los parámetros
de selección
Figura 3.44
116
Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora
PSHJ-35 para el polietileno de alta densidad reciclado
Figura 3.45
118
Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35
para la mezcla polietileno reciclado con agente de acoplamiento.
Figura 3.47
117
Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35
para el agente de acoplamiento
Figura 3.46
113
118
Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35
para el aserrín
119
Figura 3.48
Perfil de temperaturas por zonas del husillo
120
Figura 3.49
Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla
polietileno agente de acoplamiento obtenida
Figura 3.50
Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla
final obtenida
Figura A V.1.
Reograma del Polietileno solo
Figura A V.2.
Reograma de la mezcla de polietileno y
aserrín al 5 %
Figura A V.3.
148
148
149
Reograma de la mezcla de polietileno y
aserrín al 45 %
Figura A V.5.
122
Reograma de la mezcla de polietileno y
aserrín al 15 %
Figura A V.4.
121
149
Reograma de la mezcla de polietileno y
aserrín al 15 % con 1 % de agente de
acoplamiento
150
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Cálculo de la densidad del polietileno reciclado y de la madera plástica
135
ANEXO II
Cálculo de la densidad aparente de las materias
primas y de la mezcla
137
seleccionada
ANEXO III
Determinación de las masas de cada una de las mezclas que se
139
cargaron en el reómetro
ANEXO IV
Cálculos para el diseño de la planta piloto de madera plástica
141
ANEXO V
Reogramas de algunas de las mezclas realizadas en el reómetro
148
ANEXO VI
Valores de la calibración de las tolvas y la extrusora
151
ANEXO VII
Valores de los ensayos mecánicos de las diferentes mezclas
157
ANEXO VIII
Proformas de materias primas utilizadas en la planta de madera plástica
161
xiii
ANEXO IX
Proformas de los equipos
165
ANEXO X
Cálculos análisis económico
179
xiv
RESUMEN
El presente estudio tuvo como propósito el diseño de una planta piloto para la
obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas
lignocelulósicas, utilizando un agente de acoplamiento constituido por una cera de
polietileno maleizado.
Con este fin se realizó la caracterización de las materias primas, para determinar
las condiciones de procesamiento a seguir, al mezclar los componentes que
formaran parte del material compuesto.
De esto se determinó que se debe realizar un proceso de secado al aserrín antes
del mezclado, para fomentar la unión con la matriz de polietileno de alta densidad
reciclado.
Se determinó que la temperatura máxima de procesamiento debe estar en 180 °C
para evitar la degradación del componente lignocelulósico.
Se estudió la cantidad de material lignocelulósico que soporta la matriz antes que
sus propiedades decaigan significativamente; para esto se realizaron mezclas de
aserrín-polietileno con una concentración de aserrín en un rango entre el 5 % al
45 % en pasos del 5 %.
La concentración que mejores características presentó fue la del 15 % de aserrín;
se fijó esta concentración de material lignocelulósico y se procedió adicionar el
agente de acoplamiento al 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; y 5,0 %, para analizar como varían
las propiedades en la mezcla seleccionada; con esta información se seleccionó la
concentración de agente de acoplamiento que mejores resultados presento esta
fue al 1 % pues mejora significativamente las propiedades del material final.
Los parámetros establecidos y la composición de la mezcla que se seleccionó se
tomaron de base para el diseño del proceso a nivel piloto y la calibración del equipo
de extrusión en el que se realizó las pruebas preliminares.
xv
Mediante los balances de masa se determinó una producción de 20,83 kg/h de
madera plástica en forma continua. Se estableció que la adición de los
componentes debe darse en dos pasos: el primero es la mezcla en el extrusor del
polietileno con el agente de acoplamiento para obtener granza de esta mezcla,
posterior a esto, se mezcló el aserrín con la granza de la mezcla de polietilenoagente de acoplamiento, obteniendo la granza de madera plástica.
Finalmente, se realizó un análisis de costo de implementación de la planta el cual
fue de $ 150 452 y el costo de producción de un saco de 25 kg fue de $ 39,50.
xvi
INTRODUCCIÓN
La producción de materiales compuestos con fibras vegetales ha crecido
paulatinamente en los últimos años, según el décimo Congreso “Wood Plastic
Composites” realizado en Viena en Noviembre del 2014 por Battenfeld-Cincinnati
se conoce que el crecimiento en el mercado mundial es del 5 %, en Estados Unidos
se presenta una producción anual de 1,1 millones de toneladas, siendo el país con
mayor capacidad de producción de madera plástica en el mundo, se espera que
para el 2015 China llegue a 1,8 millones de toneladas superando a los Estados
Unidos (Ortega, 2014), en América latina la producción de madera plástica es
menor, a la cabeza se encuentra Brasil, produciendo madera plástica con cascarilla
de arroz, en nuestro País no existe producción de madera plástica, para abastecer
la demanda creciente que el país presenta al empezar a conocer las bondades del
material.
La madera plástica es un producto relativamente nuevo en el mercado, mientras se
va conociendo sus beneficios va ganado terreno y compite con el precio de la
madera natural, presentando las siguientes ventajas: resistencia a los agentes
degradativos, facilidad de moldeado, no requiere mantenimiento (Coronado, 2011,
p. 25)
En el Ecuador las importaciones de polietileno de alta densidad indican un alto
consumo de este tipo de material, generándose desperdicios al mismo nivel. En el
Distrito Metropolitano de Quito EMASEO se recoge 1 015, 72 t/día de las cuales
15,50 % de los residuos son plásticos que se reciclan en un 12 %, de esto el
2,42 % es plástico de alta densidad (EMGIRS-EP, Informe técnico sobre la
operación del relleno sanitario de Quito, 2014). Esto indica una necesidad de buscar
un destino a estos residuos, para evitar su acumulación en los botaderos.
En la actualidad el área del reciclaje de plásticos está en auge, lo que incentiva la
producción de este tipo de material compuesto.
xvii
La industria maderera en el Ecuador genera grandes cantidades de aserrín que no
son utilizados para un fin específico, muy pocas veces se vende para tableros de
aglomerado, esto indica que el aserrín es enviado a los rellenos sanitarios o se lo
quema generando contaminación ambiental.
La implementación de una planta de Madera plástica favorece a la disminución de
estos desechos en los botaderos, proveyendo al mercado local de un producto
novedoso que en la actualidad solo se lo obtiene por importación y preservando el
medio ambiente.
Es importante aclarar que el procesamiento de compuestos plástico-madera
presenta
limitantes
en
comparación
al
procesamiento
convencional
de
termoplásticos, en primer lugar la incorporación del aserrín en la matriz y la
dosificación del agente de acoplamiento, en segundo lugar se debe considerar la
temperatura de procesamiento para no degradar las fibras vegetales, también es
importante tomar en cuenta el contenido de humedad de las fibras para asegurar
una unión más eficiente, estos son puntos críticos para la calidad del producto final,
el estudio de las mejores condiciones de procesamiento y dosificación de las
materias primas es primordial para la obtención de madera plástica.
Ante la necesidad constante de que en el país exista una mayor implementación de
procesos industriales, se enfatiza la importancia de este proyecto, cuya base radica
en la producción de granza de madera plástica, generando una solución factible
para el reciclaje y tratamiento de residuos plásticos.
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1 MADERA PLÁSTICA
1.1.1. DEFINICIÓN
La madera plástica es un material compuesto, cuyos constituyentes son: plástico
reciclado o virgen, acompañado de residuos de madera.
El objetivo de la madera plástica es fusionar las ventajas de la madera y el plástico,
aprovechando la apariencia estética que presenta la madera, junto con las
propiedades impermeabilizantes que aporta el plástico en la mezcla.
De manera general se tiende a denominar madera plástica a cualquier tipo de
mezcla, que dé como resultado un producto polimérico con características similares
a las de la madera, para poder diferenciar la madera plástica que contiene residuos
de madera de la que está formada por otros constituyentes se ha usado el idioma
ingles para diferenciarlos:
“Plastic lumber”, la cual está constituida únicamente por plástico, sea este
reciclado o virgen, pudiendo ser de un solo material polimérico, o la mezcla de
algunos materiales. De preferencia se utilizan materiales termoplásticos, se suele
adicionar estabilizantes UV, lubricantes, agentes espumantes que facilitan la
mezcla, mejoran las propiedades, permiten proteger al polímero y facilitan el
moldeado, obteniendo piezas que llegan a parecer madera natural. (Olivares,
Galán, & Roa, 2003, p. 46)
“Wood plastic composite” (WPC), La palabra “composite” ha sido utilizada para
definir únicamente a los materiales compuestos que tienen matriz polimérica
diferenciándolos de aquellos que poseen otros tipos de matrices. Un “composite de
madera plástica” (WPC), generalmente, es el resultado de la unión de plástico
reciclado con desechos de madera; dosificado de tal forma que se logre
2
incrementar las propiedades mecánicas del nuevo material. En la actualidad hay
composites de madera plástica realizados únicamente con materias primas
vírgenes. Para mejorar las propiedades de los materiales iniciales, se suele
adicionar agentes de acoplamiento, retardantes de llama, funguicidas, espumantes,
antioxidantes, estabilizantes UV, lubricantes, entre otros. (Klyosov, 2007, p. 11)
En la Figura 1.1 se puede apreciar visualmente la diferencia entre el “plastic lumber”
y el “wood plastic composite”.
Figura 1.1 “Plastic lumber” y “wood plastic composite” (Olivares, Galán, & Roa, 2003)
El WPC presenta ventajas, tanto en el procesamiento como en su uso final, en el
procesamiento, se tiene un material versátil que puede ser fácilmente moldeado, ya
sea por compresión, inyección o por extrusión. Con respecto a su uso se debe
tomar en cuenta la buena durabilidad, bajo costo de mantenimiento, pues presenta
baja absorción de humedad, lo cual previene la degradación microbiana y el ingreso
de termitas. Una desventaja es su alta flamabilidad que puede ser contrarrestada
al adicionar a la mezcla retardantes de llama (Kim & Pal, 2010, p. 2).
Las materias primas que se usan generalmente para la fabricación del WPC son:
Como matriz: polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo o una mezcla de
polímeros reciclados.
3
Como componente lignocelulósico: fibras naturales de variados tamaños y
procedencias, entre ellas las que más se destacan son la cascarilla de arroz,
residuos de la industria del papel y madera molida en finas partículas que se
denomina harina de madera.
1.1.2. ESTRUCTURA DEL WOOD PLASTIC COMPOSITE
El WPC (wood plastic composite) se encuentra en el grupo de los materiales
compuestos pues forma un sistema nuevo a partir de la combinación de dos o más
componentes, para dar como resultado un material, con mejores propiedades que
sus constituyentes por separado (Besednjak, 2009, p. 18).
Esta definición describe a los materiales compuestos en general, sean aleaciones
metálicas, cerámicas o poliméricas. Los compuestos reforzados con fibras se
distinguen de los otros materiales compuestos debido a la diferencia a nivel
molecular de sus constituyentes y la capacidad de ser separados por métodos
mecánicos. Los materiales constituyentes del WPC trabajan juntos, mejorando las
propiedades del nuevo material, pero cada uno permanece en su forma original sin
alterar su estructura molecular (Kim & Pal, 2010, p. 1).
La estructura y propiedades de la fibra de madera-intefase-matriz polimérica
condicionan las propiedades físicas y mecánicas del material compuesto; cada una
de estas cumple funciones específicas dentro del material:
•
Matriz: es la fase continua, el elemento ligante, cuya función es repartir la
tensión.
•
Refuerzo: es la fase discontinua, el elemento resistente, que soporta la tensión
mecánica del material. (Callister, 2007, p. 587)
•
Interfase: esta permite la adhesión de la fibra con la matriz.
En la Figura 1.2 se observa las propiedades mecánicas de la matriz y el refuerzo y
cómo se comporta el material compuesto al unir estos dos.
4
Figura 1.2 Diagrama tensión - alargamiento material compuesto (Besednjak, 2009, p. 17)
A continuación se detallan cada uno de estos elementos:
1.1.2.1. Matriz polimérica
La matriz polimérica cumple funciones importantes en el material compuesto. La
principal de ellas es la trasmisión de los esfuerzos a las fibras, por medio de la
interface, que es la frontera entre la fibra y la matriz, otras funciones que cumple la
matriz son las siguientes:
•
Protege a las fibras de esfuerzos de compresión, humedad, ataques químicos
entre otros.
•
Por medio de fuerzas adhesivas une las fibras del refuerzo y las asegura de
acuerdo al orden determinado. (Besednjak, 2009, p. 24)
Los materiales poliméricos poseen buenas propiedades mecánicas, resistencia a
la corrosión y una gran facilidad de procesado; una matriz polimérica puede ser
termoplástica o termoestable:
5
Matriz polimérica termoestable: es rígida y no fluye por efecto de la temperatura,
pero a elevadas temperaturas tiende a sufrir una degradación química estructural,
no es cristalina, la última fase de polimerización (curado) se debe realizar en el
equipo de moldeo pues no pueden ser remoldeados. Entre estas tenemos: resinas
epóxicas, resinas poliésteres, resinas fenólicas entre otras.
Matriz polimérica termoplástica: se caracteriza por poseer una alta relación entre
resistencia/densidad, funden al calentarse y se solidifican al enfriarse, poseen alta
cristalinidad por el empaquetamiento molecular y son fácilmente moldeables.
(Besednjak, 2009, p. 20)
En una molécula lineal, los segmentos del polímero se juntan más que en una
estructura ramificada, generando fuerzas intermoleculares mayores que se
traducen en un material más denso, creando un incremento de la elongación
después de la rotura; por lo tanto, las moléculas de los termoplásticos son menos
rígidas que la de los termoestables. (Morales Méndez, 2010, p. 80)
Con respecto a la facilidad de reprocesado, gracias a la capacidad de fundir que
presentan los termoplásticos y sus propiedades mecánicas, facilitan el proceso de
reciclaje mecánico, mientras que para los termoestables el reciclaje generalmente
es químico el cual necesita alta energía generando un costo elevado (Manuel, 2011,
p. 93).
Los termoplásticos presentan buena resistencia al impacto, compresión y flexión,
posee buena resistencia química y baja absorción de humedad; con respecto al
procesamiento presenta ciclos de moldeo cortos, sin reacciones durante su
endurecimiento, reprocesables y se los puede almacenar a temperatura ambiente.
Los aspectos negativos de la utilización de termoplásticos son su tendencia a fluir
a temperaturas elevadas y su alta viscosidad, que dificulta la interacción con el
refuerzo. (Michaeli, Wegener, & Capella, 1993, p. 71)
6
1.1.2.1.1. Polietileno de alta densidad
El polietileno es una macromolécula generada por la unión de monómeros de
etileno que posee átomos de carbono insaturados, es decir que están unidos por
un doble enlace, pero al momento que el doble enlace se rompe se generan dos
sitios químicos activos que permiten la reacción con otros monómeros de etileno
(Osswald & Giménez, 2008, p. 14).
En la Figura 1.3 se observa la estructura química de una molécula de etileno y la
polimerización del mismo formando el polietileno.
Figura 1.3 Estructura química del etileno monómero y del polietileno macromolécula
(Morales Méndez, 2010, p. 47)
Existen muchos tipos de polietilenos pero su estructura básica se conforma por una
larga cadena de carbonos, unidos covalentemente a átomos de hidrógeno, con
terminaciones en la cadena de grupos metilos, las variaciones surgen por las
ramificaciones en la cadena principal, en el estado sólido, estas definen el nivel de
cristalinidad, si existen pocas ramificaciones posee un mayor grado de cristalinidad,
las resinas de polietileno aumentan su densidad global a medida que aumenta el
grado de cristalinidad (Peacook, 2000, p. 2).
El polietileno de alta densidad (HDPE), está formado por moléculas no ramificadas
y con pocos defectos, que no afectan su linealidad como se aprecia en la Figura
1.4, al poseer un bajo nivel de ramificaciones poseen un alto grado de cristalinidad,
pero no es totalmente cristalino pues posee zonas amorfas la relación entre las
zonas cristalinas y las amorfas nos da el grado de cristalinidad, a mayor grado de
7
cristalinidad mayor será la densidad. Las resinas de polietileno de alta densidad
posen densidades entre 0,94 - 0,97 g/cm3 (Peacook, 2000, p. 2).
Figura 1.4 Representación esquemática del polietileno de alta densidad (Peacook, 2000,
p. 4)
1.1.2.1.2. Obtención del polietileno de alta densidad
La polimerización del polietileno de alta densidad se da por lo general por adición.
Existen tres métodos de obtención:
•
Por suspensión en un sistema bifásico usando un catalizador de lecho fijo e
hidrocarburos como disolventes junto con el etileno a una temperatura entre 100
-170 °C y una presión de 5 – 15 kg/cm2 (Malpass, 2010, p. 88).
•
En fase gaseosa alimentando el etileno de alta pureza y el catalizador en polvo
en un reactor de manera continua, el polietileno es desalojado del reactor de
forma intermitentemente, sin permitir la salida del gas de etileno que aún no ha
reaccionado (Malpass, 2010, p. 88).
•
En disolución en la que el monómero y el iniciador se disuelven en un líquido
disolvente no reactivo. Su principal ventaja es una reducción de la viscosidad del
medio y una mejor eliminación del calor (Malpass, 2010, p. 89).
8
Para favorecer la velocidad de reacción, existen tres métodos de catálisis:
•
Catalisis Ziegler–Natta
•
Catálisis Metaloceno
•
Catalisis proceso Phillips
Catálisis Ziegler–Natta
Existe una gran cantidad de catalizadores Ziegler –Natta estos consisten en
complejos formados por una base metálica de alquilo o haluro con una sal de los
metales de transición, cada combinación realiza un tipo específico de
polimerización, para la polimerización del etileno a polietileno de alta densidad se
utiliza generalmente el complejo trietil aluminio con tetracloruro de titanio, a presión
atmosférica y temperatura de 50 – 100 °C, el centro activo es el átomo de titanio
coordinado con cuatro átomos de cloro y un grupo alquilo, en una configuración
octaédrica con un sitio vacío (Malpass, 2010, p. 89).
La molécula entrante de etileno coordina con el titanio en el sitio disponible, así se
genera un nuevo espacio en la posición apical y las moléculas repetitivas de etileno
generan la cadena del polietileno como se puede ver en la figura 1.5, los
catalizadores tienen una mezcla de sitios activos, los cuales debido a su ambiente
químico ligeramente diferente polimerizan el material de maneras diferentes, los
sitios que producen cadenas más largas son menos propensos a incorporar
comonómeros de alquilo, mientras que las cadenas más cortas contienen más
comonómero. Los comonómeros polares son los que desactivan los catalizadores
Ziegler-Natta (Malpass, 2010, p. 90; Peacook, 2000, p. 55).
9
Figura 1.5 Polimerización del etileno mediante catalizador Ziegler – Natta (Peacook,
2000, p. 55)
Catálisis metaloceno
Se la conoce también como catálisis de sitio único ya que contiene un solo tipo de
sitio activo por esto es una catálisis homogénea las condiciones de producción son
similares a la Ziegler-Natta. Se la realiza con un compuesto órgano - metálico que
permite una distribución uniforme de las cadenas poliméricas y un componente de
Zirconoceno . (Malpass, 2010, págs. 72,73,74)
10
Catálisis Phillips
Utiliza oxido metálico sea de cromo a titanio, soportado sobre sílice altamente
poroso o aluminiosilicato y un hidrocarburo como disolvente, a condiciones medias
de presión y temperatura.
Para el uso de un catalizador Phillips se prepara el soporte de sílice o
aluminiosilicato con la solución acuosa de cromo en un ambiente oxidativo para
formar cromato de silicio en la superficie, a alta temperatura se produce en el etileno
una reducción a un estado de valencia menor, en el sitio activo existe un enlace
cromo carbono que forma un complejo con la molécula de etileno que luego se
inserta entre el cromo y el carbono y empieza la formación de la cadena, este
proceso se puede apreciar en la Figura 1.6 (Peacook, 2000, págs. 61,62).
Figura 1.6 Polimerización del etileno mediante catálisis Phillips (Peacook, 2000, p. 62)
11
1.1.2.1.3. Propiedades del polietileno de alta densidad
Las propiedades físicas del polietileno solido están determinadas por su naturaleza
semicristalina, en general el polietileno es un material muy flexible, químicamente
inerte y con una resistencia eléctrica alta, los contras que posee son su cedencia a
las cargas prolongadas y su temperatura de fusión baja. Las propiedades del
polietileno provienen de la naturaleza covalente de sus enlaces carbono – carbono
y carbono – hidrogeno dándole una naturaleza no polar, entre las propiedades más
importantes tenemos:
•
La densidad es afectada por la variación del grado de cristalinidad, los factores
que cambian esta propiedad son los que hacen que cambie también la densidad
por lo tanto la densidad es función del peso molecular, contenido de
ramificaciones y de las condiciones de preparación del polietileno.
•
Propiedades mecánicas hacen referencia al reordenamiento físico de sus
moléculas o cambios en su morfología en respuesta a una fuerza aplicada, la
resistencia a la tensión, rigidez y dureza dependerán del grado de cristalinidad
que presente la muestra, en general el polietileno de alta densidad posee alta
resistencia al impacto .
•
Propiedades térmicas el polietileno al ser un polímero semicristalino posee un
intervalo de fusión esto se debe a la distribución de espesores lamelares en el
estado sólido, el bajo punto de fusión que presenta es un limitante en su uso su
punto de fusión esta entre 130 -136 °C. (Peacook, 2000)
•
Permeabilidad el polietileno puede ser considerado como un material
esencialmente impermeable pero teniendo en cuenta que posee un grado de
permeabilidad que se ve afectado por el tiempo de exposición, cantidad de
material y las condiciones del entorno.
12
1.1.2.1.4. Degradación del polietileno de alta densidad
La degradación polimérica es la perdida de las propiedades mecánicas del material
debido a los cambios químicos y físicos que se dan en la estructura, originados por
agentes externos que interactúan con las moléculas del polímero, todo esto genera
una reducción del grado de polimerización (Pancorbo, 2011, p. 462).
Los principales factores que inciden en la de degradación que sufre el polietileno
de alta densidad son:
•
Degradación por radiación solar: la luz UV favorece la formación de radicales
libres y reticulaciones entre cadenas contiguas dentro de la molécula del
polímero generando envejecimiento y pérdida de flexibilidad (Bamford & Tipper,
1975, p. 349).
•
Degradación térmica con el aumento de la temperatura existe mayor movilidad
de la moléculas lo que favorece a las reacciones de degradación, en el
polietileno de alta densidad al ser un polímero semicristalino, posee zonas
cristalinas con cadenas ordenadas en las que los movimientos son limitados y
zonas amorfas en las que existe mayor libertad de movimiento, por esto las
reacciones de degradación se producen preferentemente en las zonas amorfas
generando la formación de radicales libres que permiten el rompimiento de las
cadenas (Pielichowski & Njuguna, 2005, págs. 43, 44).
•
Degradación mecánica este tipo de degradación puede darse durante el
procesado o en el servicio del material, se da por la ruptura de enlaces primarios
debido a la fatiga que soporta el material dando origen al fallo.
•
Degradación oxidativa se origina por agentes externos como el oxígeno y el
ozono de la atmosfera el polietileno al tener cadenas saturadas posee buena
resistencia a la oxidación a temperatura ambiente.
•
Degradación por exposición a líquidos el contacto con líquidos genera
hinchamientos en el material que provoca la ruptura de los puentes de hidrogeno
y rompimiento de cadenas que hacen que el polietileno pierda su tenacidad, la
temperatura ambiental y la naturaleza del líquido determinan el grado de la
degradación
13
1.1.2.2. Refuerzo
El refuerzo es la fase discontinua, es tan importante como la matriz pues esta define
la mayor parte de las propiedades mecánicas del material compuesto, como la
resistencia y la rigidez. Para la selección del refuerzo se debe tomar en cuenta
algunas propiedades mecánicas del material: como su ligereza, dureza, rigidez,
temperatura de degradación y el grado de compatibilidad que presenta con la
matriz; a partir de esto se selecciona el proceso de fabricación del material
compuesto.
Los materiales de refuerzo pueden ser de diferentes tipos como lo podemos
apreciar en la Figura 1.7:
MATERIALES DE REFUERZO
PARTICULADO
FIBROSO
ESTRUCTURAL
Figura 1.7 Tipos de materiales de refuerzos (Callister, 2007, p. 579)
•
En los materiales reforzados con partículas las propiedades mecánicas
dependen en gran parte de la unión entre la matriz y las partículas, esta unión
debe ser química y mecánica dependiendo de la afinidad matriz – refuerzo y
del tamaño de la partícula , se puede considerar el uso de partículas grandes y
pequeñas, teniendo presente que el tamaño de la partícula restringirá el
movimiento de la matriz a los alrededores del refuerzo: a medida que el tamaño
de partícula disminuye y la dispersión en la matriz es más homogénea, el
14
reforzamiento del material mejora. Se debe procurar que el tamaño de partícula
sea uniforme: a mayor tamaño de partícula tenemos una unión mecánica y a
medida que el tamaño de partícula va disminuyendo (menor a 0,1 mm) la unión
ocurre a nivel atómico y molecular; otro factor determinante es la cantidad de
cada una de las fases. Con este tipo de refuerzo la matriz soporta la carga
aplicada y las partículas dificultan el desplazamiento de la misma, logrando un
aumento en el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza (Callister,
2007, p. 580).
•
En los refuerzos fibrosos, se busca obtener un material con alta resistencia y
rigidez pero con una baja densidad, para este tipo de refuerzos se debe tener
en cuenta la longitud, diámetro y orientación de la fibra. Cada uno de estos
parámetros determinará las propiedades del nuevo material: la longitud define
la transmisión de la carga por medio de la matriz a la fibra, el diámetro debe ser
pequeño para disminuir las posibles fallas del refuerzo, y la relación
longitud/diámetro es la que determinará la resistencia que la fibra va a
comunicar. La disposición de las fibras determinará la orientación de la
resistencia a la tracción, dependiendo de la dirección en la que se les coloque;
si las fibras están colocadas al azar mejora la resistencia a la tracción hacia
todas las direcciones. ( Ashby, Messler, & Asthan, 2009, p. 351)
•
Un refuerzo estructural está formado por materiales compuestos homogéneos
cuyos beneficios en el material final dependerán de su geometría y no solo de
las características del refuerzo, existen refuerzos laminares en los cuales se
coloca láminas paralelas apiladas y paneles sándwich que son capas externas
que contienen a la matriz.
El refuerzo es el que otorgará al material compuesto las principales características
mecánicas. Por si solo es un elemento resistente, pero necesita de una matriz para
que exista una unión entre sus componentes, potenciando sus propiedades.
15
1.1.2.2.1. Componente lignocelulósico
La mayor parte de fibras naturales están formadas por celulosa, hemicelulosa, y
lignina estas presentan grupos hidroxilos y grupos polares que hacen que las fibras
sean hidrofílicas.
El compuesto mayoritario de la madera es la celulosa, en la Figura 1.8 se puede
apreciar su estructura, este es un polisacárido de cadena lineal insoluble en agua,
rígido; con
puentes de hidrogeno que unen a
los grupos hidroxilo, que se
encuentran entre cadenas yuxtapuestas de glucosa formando microfibrillas que
conforman la pared celular (Sjöström, 1993, p. 58), debido a esto las microfibrillas
son altamente polares, dificultando la compatibilidad con materiales no polares,
afectando la dispersión al momento de elaborar el material compuesto. En la
madera la celulosa generalmente ocupa aproximadamente el 50 % de su peso
seco, esto variara según el tipo de madera que se utilice. (Gracia, 2010, p. 223)
Figura 1.8 Estructura de la molécula de celulosa (Gracia, 2010, p. 223)
16
En la Tabla 1.1 se muestra las ventajas y desventajas que presenta una fibra con
alto contenido de celulosa.
Tabla 1.1 Propiedades que la celulosa a altas concentraciones le confiere a una fibra
natural (Guerrero, 2011, p. 82)
Fibras con alto contenido de celulosa
Ventajas
Desventajas
Gran capacidad de absorber humedad
Baja resiliencia
Susceptible a daños por ácidos vegetales y
orgánicos
Capacidad de soportar altas temperaturas
Alta flamabilidad
Baja densidad
Resistencia moderada a la luz solar
La hemicelulosa está formada por varios tipos de monómeros entre ellos la glucosa
y otros azucares solubles en agua, con un grado de polimerización menor que el
de la celulosa, formando cadenas ramificadas, la función que desempeña es la de
unir a las microfibrillas rodeándolas y aglutinándolas, permitiendo la interacción
entre la celulosa y la lignina para proporcionar rigidez a la pared celular. En la
madera constituye entre un 15 % y un 25 % de su peso seco (Gracia, 2010, p. 224).
Las hemicelulosas son carbohidratos que pueden dar origen a la formación de
hongos en el material compuesto, por esto se debe lograr una cobertura completa
de la partícula de madera evitando las condiciones de humedad. (Guerrero, 2011,
p. 82)
La lignina se forma por la deshidratación de los azucares que generan estructuras
aromáticas, es una molécula grande y ramificada que no posee estructura de
polisacárido, esta proporciona soporte estructural a la planta, haciéndola resistente
al impacto, compresión y flexión esta se encuentra en la madera entre un 25 % y
33 % de su peso seco (Gracia, 2010, p. 225).
En la figura 1.9 se muestra la disposición de los componentes de las fibras
vegetales citadas anteriormente y como estos se encuentran entrelazados entre sí.
17
Figura 1.9 Esquema de los componentes de la pared celular de las fibras vegetales (Gracia,
2010, p. 224)
Las fibras celulósicas poseen también elementos minoritarios, como proteínas,
ceras, resinas, y algunos productos inorgánicos como cenizas, su composición
varía según la especie.
Cada tipo de fibras presenta características propias de su naturaleza y procedencia,
esto aporta las características que puede conferir a la matriz que va a reforzar
específicamente resistencia a esfuerzos de tracción flexión, compresión, e impacto.
Se debe tener en cuenta para la selección de una fibra como refuerzo la
disponibilidad del material y las ventajas y desventajas que el uso de materiales
lignocelulósicos presenta a continuación en la Tabla1.2 podemos ver las ventajas
y desventajas del uso de este tipo de refuerzos:
18
Tabla 1.2 Ventajas y desventajas de utilizar fibras naturales como refuerzo en materiales
compuestos (Baille, 2004, p. 76)
Ventajas
Desventajas
Sostenibilidad
Baja resistencia al agua
Genera un bajo consumo de CO2
Alta absorción de agua
Son biodegradables
Baja estabilidad dimensional
Requieren un bajo consumo de energía
Pobre interfaz
No quedan residuos tóxicos al quemarlas
Dureza
Su densidad es baja
Dificultad en su procesamiento
Poseen buenas propiedades mecánicas
Calidad heterogenia
No son toxicas ni abrasivas
Demanda y ciclos de suministros variables
Tienen bajo costo
Presentan alta flamabilidad
En la actualidad las fibras artificiales dominan el mercado de los materiales
compuestos por sus propiedades y facilidad de fabricación pero el uso de fibras
vegetales empieza a ganar terreno pues estas presentan algunas ventajas sobre
las artificiales:
•
Costos y disponibilidad: las fibras vegetales son más económicas y fáciles de
obtener, específicamente las fibras de madera, por lo general son desechos con
un bajo precio de adquisición y gran disponibilidad pues son residuos de otras
industrias, para su procesamiento se requiere un menor consumo de energía.
•
Fácil procesamiento: las fibras naturales poseen menor densidad esto las hace
más livianas que las de vidrio y generan un aumento en la eficiencia en
materiales que requieren ser livianos y resistentes, la maquinaria sufre menos
abrasión y no existe riesgos de inhalación en su procesamiento.
•
Eliminación: al ser materia orgánica son biodegradables y esto facilita su
eliminación al contrario de las fibras artificiales.
En la Tabla 1.3 podemos ver algunas de las propiedades de las fibras vegetales
con respecto a las fibras de vidrio:
19
Tabla 1.3 Propiedades de las fibras vegetales y fibras artificiales (Guerrero, 2011, p. 85)
Resistencia a
Módulo de
Elongación
Absorción
la tracción
elasticidad
fractura
de humedad
[MPa]
[GPa]
[%]
[%]
2,5
2000-3500
70
2,5
------
2,5
4570
86
2,8
------
Carbono
1,4
4000
230-240
1,4-1,8
------
Cañamo
1,4
690
35
1,6
8
Yute
1,3
393-773
26,5
1,5-1,8
12
Coco
1,2
175-220
4-6
15-30
10
Fibras
Vidrio –
S
Vidrio –
E
Densidad
[g/cm3]
Se puede apreciar que las fibras vegetales poseen propiedades menores a las
artificiales, esto se equipara con la disminución de la densidad que presentan las
fibras naturales ya que esto permite la elaboración de materiales más ligeros y con
propiedades mecánicas aceptables.
1.1.2.3. Interfaz e interfase
La fabricación del WPC está determinada por sus constituyentes y la manera que
interaccionan. Estos al ser químicamente diferentes, están separados por una
interfaz que es una superficie bidimensional entre la matriz a la interfase y entre la
fibra a la interfase, en la cual actúan las fuerzas adhesivas, generando una
interacción débil.
La interfase se define como una región tridimensional donde actúan fuerzas
cohesivas entre la fibra y la masa del polímero matriz, generando interacciones
moleculares, permitiendo que los esfuerzos que se aplican a la matriz se transmitan
a las fibras.
La interacción entre el polímero y la fibra es pobre, esto disminuye la adhesión entre
los dos sistemas, afectando directamente las propiedades de resistencia y dureza;
también influye en propiedades a largo plazo como fluencia y estabilidad a la
20
humedad. Con respecto a la rigidez del material compuesto no influye
significativamente (Klyosov, 2007, p. 162).
En la Figura 1.10 se ve puede observar como las interfaz de la matriz y de la fibra
generan fuerzas adhesivas con la interface, en la interface se generan fuerzas
cohesivas que unen los dos componentes.
Figura 1.10 Descripción esquemática de la interfaz y la interfase en una sección
transversal de WPC (Oksman & Sain, 2008, p. 43)
Para mejorar la interacción entre el plástico y las fibras de madera, se debe tomar
en cuenta las siguientes recomendaciones:
•
La distribución del material de carga debe ser uniforme en la matriz
•
Se debe cerrar la interfaz mediante el acoplamiento de la fibra de madera con
el plástico esto se lo realiza con el uso de agentes compatibilizantes.
La unión en un material compuesto se da por medio de los siguientes enlaces:
•
Enlace covalente se produce entre los grupos químicos en la superficie de la
fibra y el grupo químico compatible en el polímero. Los enlaces químicos se
forman entre la superficie de la fibra y algunas moléculas en la matriz. La fuerza
de la interfaz depende del tipo de enlace y el número de enlaces.
•
Enlaces electrostáticos se dan por cargas diferentes sobre las dos superficies
que generan fuerzas de atracción, la fuerza de la interfaz dependerá de la
cantidad de enlaces estas fuerzas incluyen enlaces iónicos, enlaces de
21
hidrogeno, interacciones acido base, interacciones dipolo - dipolo y fuerzas de
Van Der Waals (Oksman & Sain, 2008, p. 46).
•
Enlace mecánico sucede por el enclavamiento de dos superficies, en el
procesamiento existen tensiones que genera rozamiento entre las superficies
de los materiales, y en el enfriamiento existe contracciones que aumentan la
superficie de contacto mejorando la adhesión.
La adhesión puede mejorar con el uso de agentes de acoplamiento y la fibra puede
ser modificada para que se genere sitios en los que se dé la interacción con el
material polimérico.
1.1.2.3.1. Aditivos y agentes de acoplamiento
Los aditivos son muy variados en la fabricación de materiales compuestos, las
funciones que cumplen son: proteger al material, modificar la estructura para
diversas aplicaciones y mejorar la compatibilidad de los materiales. Estos se
adicionan en cantidades menores que el refuerzo y la matriz. Entre ellos tenemos:
•
Los lubricantes, que pueden ser internos si modifican las fuerzas de cohesión
intermolecular de la resina disminuyendo su viscosidad y externos cuando
ayudan a que el material no se pegue al molde.
•
Agentes antiultravioleta, que protegen al material compuesto de la radiación
ultravioleta.
•
Agentes antiretracción, que mejoran el aspecto de la superficie del material
compuesto.
•
Antioxidantes, que se encargan de retardar la degradación por acción de la
oxidación atmosférica.
•
Espumantes, que generan en el material compuesto una estructura tipo celular
que le da propiedades de aislante, reduciendo su densidad.
•
Retardantes de llama. Los polímeros son inflamables, estos aditivos contienen
cloro, bromo, fósforo, o sales metálicas que reducen la capacidad de
combustión.
•
Agentes de acoplamiento, que mejoran unión de la matriz con el refuerzo.
(Morales Méndez, 2010, págs. 134-140)
22
La función principal del agente de acoplamiento es mejorar la compatibilidad entre
el material lignocelulósico y la matriz polimérica, generando la formación de enlaces
entre la fibra y el plástico, esto facilita la distribución de la fibra en la matriz. Al
mejorar la unión se favorece a las propiedades mecánicas del nuevo material.
El principal problema al realizar un material compuesto es la incompatibilidad de las
materias primas, pues se maneja un polímero hidrofóbico y un componente
lignocelulósico hidrofílico, por lo tanto la adherencia existente es débil y no se
transfiere óptimamente la tensión entre las dos fases, por esto se debe tomar en
cuenta la uniformidad de la distribución del material de relleno en la matriz y el
acoplamiento en la interface del polímero con las fibras de madera (Klyosov, 2007,
p. 162).
Un agente de acoplamiento debe tener una parte que interactúa con la matriz
polimérica generando entrecruzamientos o segmentos de cristalización y otra parte
que interactúe con el material lignocelulósico generando enlaces covalentes,
interacciones iónica, puentes de hidrogeno entre otros.
Para el uso de un agente de acoplamiento se debe tener en cuenta las condiciones
adecuadas de temperatura de procesamiento, contenido de humedad y ausencia
de compuestos que pueden bloquear la acción del agente de acoplamiento como
estearatos metálicos que se usan como lubricantes, tomando estas medidas se
puede lograr un aumento significativo en la propiedades mecánicas del material
compuesto, duplicando la resistencia a la tracción y a la flexión, disminuyendo la
absorción de agua pues las partículas lignocelulósicas se recubren totalmente de
la matriz. Adicional a esto se presenta un aumento en la densidad y por ende en la
resistencia, disminuyendo la oxidación y protegiendo al material de la degradación
microbiana (Oksman & Sain, 2008, p. 29).
Los efectos del agente de acoplamiento son función de los materiales que se estén
usando para el material compuesto, pues de estos dependerá la formación de los
enlaces covalentes, por lo tanto es necesario realizar pruebas de procesamiento
para su dosificación en cada tipo de material.
23
Existen varios tipos de agentes de acoplamiento entre ellos tenemos:
•
Poliolefinas maleizadas como el anhídrido maléico con polietileno o
polipropileno que se une con la fibra de celulosa.
•
Oligómeros bifuncionales o polímeros, que pueden interactuar con cargas
inorgánicas mediante un enlace iónico.
•
Silanos, injertados en polímeros, que luego interactúan de forma covalente con
los grupos hidroxilo de fibra de celulosa.
•
Acrílico modificado de politetrafluoroetileno
•
Cloroparafinas
1.1.2.3.2. Poliolefinas maleizadas
Estos son los agentes de acoplamiento más utilizados industrialmente, la
dosificación recomendada bibliográficamente es entre el 1 % al 5 % en peso de la
formulación del material compuesto (Klyosov, 2007, p. 165) esto variara según las
materias primas utilizadas.
Las poliolefinas maleizadas se forman al injerta anhídrido maleico en la cadena
principal del polímero por medio de reacciones de radicales libres, generando una
unión covalente del anhídrido a la cadena. Esto genera la formación de una
molécula que posee por un lado una poliolefina, que es capaz de formar
entrecruzamientos con la matriz polimérica y en el otro lado se encuentra el
anhídrido maleico, que interactúa covalentemente con las fibras de celulosa a la
temperatura de extrusión, generando enlaces covalentes, enlaces iónicos y
puentes de hidrogeno, estas interacciones se producen con los grupos hidroxilo de
la celulosa y dan como resultado la formación de un éster celulósico y un ácido libre
unido a la cadena polimérica (Klyosov, 2007, p. 164, 165,166).
En la Figura 1.11 se aprecia la interacción del agente de acoplamiento con los
grupos hidroxilos del componente lignocelulósico.
24
Figura 1.11 Esquema de la interacción de los grupos hidroxilo del componente
lignocelulósico con el agente de acoplamiento
Se debe tener en cuenta que las poliolefinas maleizadas reaccionan lentamente
con la humedad del aire formando ácidos libres que disminuyen la reactividad
química del agente de acoplamiento por lo tanto es recomendable calentarlos antes
de su uso para regenerar la estructura química del anhídrido (Oksman & Sain, 2008,
p. 30).
1.2. PROCESAMIENTO DE MATERIALES RECICLADOS PARA LA
OBTENCIÓN DE MADERA PLÁSTICA
1.2.1. SECADO DEL ASERRÍN
Para el procesamiento del aserrín como componente del material compuesto se
debe tener en cuenta el contenido de humedad que posee, pues de este dependerá
la calidad de la unión con la matriz.
Si el aserrín tiene alto grado de humedad, al momento de la unión con la matriz,
por las condiciones de procesamiento, se liberará vapor de agua que dificultará la
unión de los dos materiales (Córdoba, 2005, p. 23).
El aserrín al provenir de aserraderos y ser considerado un desecho almacenado sin
un control, contiene alto grado de humedad por lo cual se requiere un secado previo
25
para su procesamiento, el secado del aserrín se lo debe hacer bajo condiciones
controladas de temperatura para evitar su degradación.
El agua contenida en el aserrín, se expresa como el contenido de humedad y se
define como la relación porcentual del peso de agua contenido sobre el peso seco.
El método más usado para la determinación del grado de humedad es el método
gravimétrico (Córdoba, 2005, p. 25).
El objetivo esencial de un proceso de secado es la eliminación de un líquido que se
separa del solido al convertirse en vapor por el calor entregado al sistema, la
transferencia de calor se produce por conducción o convección en pocos casos se
la hace por medio de radiación (Hopp, 1994, p. 404).
La forma de transferencia de calor determina la forma de secado del material y el
diseño del equipo, cuando el secado se da por conducción el sólido se coloca en
un contenedor que será calentado el cual debe estar provisto de salidas para
eliminar el vapor, cuando la transferencia de calor se da por convección, se hace
circular un gas caliente sobre la superficie del sólido, el gas entrega el calor y
arrastra el vapor formado.
Existen dos periodos de secado el primero es un periodo de velocidad constante
en el cual el secado es dependiente de la transferencia de calor al material y el
segundo es el periodo de velocidad decreciente en el cual el secado depende
totalmente del coeficiente de transferencia de calor del material (Nonhebel & Moss,
1979, p. 2).
En el proceso de secado la transferencia de calor y la transferencia de masa rigen
el fenómeno, la transferencia de masa se da en tres partes del proceso (Hopp,
1994, p. 405; Nonhebel & Moss, 1979, p. 5):
•
Al difundirse el agua en la superficie del sólido.
•
Cuando se evapora el agua superficial a la masa de aire.
•
Cuando se propaga el vapor del agua en el aire
26
Para el secado de partículas finas en un proceso continuo los secadores más
utilizados son los secadores convectivos continuos, entre ellos tenemos Secadores
tipo flash, Spray Dryers, secador de atomización de disco pulverizado, Secadores
de lecho fluido, Secadores rotativos y secadores de cinta transportadora (Van't
Land, 2012, p. 331)
1.2.1.1.
El secador rotatorio
El secador rotatorio es utilizado para un secado continuo de productos granulares
que puedan fluir, es un cuerpo cilíndrico ligeramente inclinado que desplaza el
material por su propio peso, el tambor gira continuamente y el material va
moviéndose hacia la salida del tubo (Van't Land, 2012, p. 333).
Existen tres tipos de secadores rotatorios:
•
Secador rotatorio de cascada
•
Secador directo con persianas periféricas
•
Secador por calentamiento indirecto (Nonhebel & Moss, 2002, p. 209)
En la Figura 1.12 se aprecia el esquema de un secador rotatorio típico utilizado en
la industria química.
Figura 1.12 Esquema de un secador rotatorio (Hopp, 1994, p. 407)
27
1.2.2. MEZCLADO
El mezclado de los componentes para formar el material compuesto es
determinante en la calidad del producto final, este se puede realizar en mezcladores
internos o durante el procesado en extrusoras de mono husillo o de doble husillo.
El mezclado de polímeros implica la dispersión de un componente minoritario (fase
dispersa) dentro de un componente mayoritario (fase continua), el mezclado está
determinado por 2 mecanismos:
•
Mezclado distributivo: consiste en hacer que el componentes minoritario se
distribuyan homogéneamente en la matriz, debido a la aplicación de una
deformación, sin la presencia de resistencia cohesivas es decir sin que sus
partículas se encuentren unidas (Morton, 2003, p. 78).
En la figura 1.13 se observa el mezclado distributivo de las fibras gracias a los
esfuerzos aplicados.
Figura 1.13 Mezclado distributivo del componente minoritario en la matriz (Rauwendaal,
1998, p. 2).
•
Mezclado dispersivo: es la ruptura de un aglomerado de partículas sólidas y su
dispersión en la matriz, se requiere altas fuerzas cortantes que permitan la
rotura del sistema y un cambio físico en los componentes, al disminuir el tamaño
la masa decrece y por ende las fuerzas de atracción esto provoca que las
partículas se agrupen y se obtenga una mezcla mejor (Osswald & Giménez,
2008, p. 128; Rauwendaal, 1998, p. 49).
28
En la figura 1.14 se observa el mezclado dispersivo que se genera por la
disminución del tamaño de las fibras en la mezcla.
Figura 1.14 Mezclado dispersivo del componente minoritario en la matriz (Rauwendaal,
1998, p. 2).
Los equipos de mezclado de polímeros pueden clasificarse en dos grupos
mezcladores internos y mezcladores en continuo estos últimos serán descritos en
la sección 1.2.3.
Los mezcladores internos son equipos de alta intensidad que en su interior generan
flujos elongacionales y de cizalladura complejos, favoreciendo la dispersión de las
partículas sólidas dentro de matrices poliméricas, esta dispersión dependerá del
tiempo de mezcla, velocidad del rotor, temperatura y geometría de las palas del
rotor (Osswald & Giménez, 2008, págs. 136,137).
Figura 1.15 Esquema de un mezclador Bambury (Morton, 2003, p. 85)
29
En un mezclador interno tipo Banbury existen dos rotores que giran en sentido
contrario dentro de una cámara calefactada como se puede observar en la Figura
1.15, estos rotores tienen aspas que al girar untan el material contra la cámara y
permiten el mezclado, la uniformidad de la mezcla se da por la velocidad de los
rotores, dentro del mezclador existe un flujo complejo: cuando el material ingresa
al espacio entre los rotores existe un flujo elongacional y cuando sale un flujo
cortante (Morton, 2003, p. 86).
1.2.3. EXTRUSIÓN DEL MATERIAL COMPUESTO
El proceso de extrusión es la acción de impulsar por medio de presión un polímero
fundido a través de un dado o boquilla, obteniendo un perfil o producto de sección
constante, una extrusora de husillo es una bomba de arrastre, cuyo funcionamiento
se basa en un gradiente de presión y en la deformación del fluido (Osswald &
Giménez, 2008, p. 87; Richardson & Lokensgard, 2000, p. 189).
Un extrusor posee un husillo o tornillo que gira dentro de un barril cilíndrico, cuyas
funciones principales son las de presurizar, calentar, mezclar y bombear, para
explicar cómo se realizan estas funciones en la extrusora se la divide en tres zonas
que son:
•
Alimentación
•
Compresión
•
Dosificación
En la zona de alimentación se recoge el material de la tolva y es transportado hacia
adelante del canal del husillo, al mismo tiempo empieza a comprimirse y calentarse,
el transporte es mejor cuando el material se pega a las paredes del barril, el
transporte del material en esta zona dependerá de:
•
La profundidad del canal del husillo
•
La fricción que se genera entre el material con el husillo y el barril
30
El flujo se verá favorecido si la fricción del material con las paredes del barril es alta,
mientras la fricción con las paredes del canal del husillo es baja (Osswald &
Giménez, 2008, p. 88)
La zona de compresión presenta husillos con canales menos profundos que en la
zona de alimentación, esto genera que el material se comprima y fuerce al aire
contenido a salir hacia la parte de la tolva, en esta zona ocurre la fusión, la relación
de compresión es el volumen del canal del husillo en la primera vuelta sobre el
volumen del canal del husillo en la última vuelta esta relación puede ir de 2:1 hasta
4:1 (Ramos, 2002, p. 72).
En la zona de dosificación el material alcanza la consistencia adecuada junto con
la presión y temperatura requerida para ser suministrada al dado, la presión debe
ser alta para garantizar un mezclado homogéneo. A continuación del cabezal se
tiene un plato rompedor que transforma el flujo rotacional del fluido en un flujo lineal
una placa con varias perforaciones también ayuda a retener impurezas y material
que no ha fundido.
En la fabricación de materiales compuestos un punto crítico en el proceso de
extrusión es garantizar un mezclado homogéneo de los componentes, para esto se
debe aumentar una zona con una configuración del husillo que permita que el
material se reoriente, esta parte del husillo se la conoce como zona de mezclado.
Para optimizar los procesos en cada zona se varia la temperatura a lo largo de la
extrusora lo común es tener de 2 a 7 zonas (Ramos, 2002, p. 73).
Para la extrusión de materiales compuestos se usan varios sistemas descritos en
la Figura 1.16.
31
Figura 1.16 Diagrama de los sistemas de extrusión aplicados a la mezcla de materiales
compuestos (Oksman & Sain, 2008, p. 79).
Cada sistema tiene sus ventajas y desventajas, las extrusoras de mono-husillo y
las de doble husillo contra-rotante tienen buena presión, por esto se utilizan
principalmente para la extrusión de perfiles de materiales compuestos. La extrusora
de doble husillo co-rotante es la mejor para realizar mezclas, permite una fácil
desgasificación y posee alta flexibilidad para el procesado, por esto en la industria
del material compuesto es la más usada (Oksman & Sain, 2008, p. 80).
1.2.3.1. Extrusora de mono husillo
Es la extrusora más utilizada para perfiles y láminas, en especial para la fusión del
plástico en equipos de moldeo por inyección, el material antes de entrar a la tolva
de alimentación debe ser mezclado, se alimenta el material por lo general por medio
de una tolva de gravedad, no requiere de alimentadores, el porcentaje de salida se
32
relaciona directamente con la velocidad del tornillo, por lo tanto para regular la
salida se requiere una unidad de velocidad variable, el mecanismo de fusión de la
mezcla se da por el calor transmitido desde el barril y por el diseño del tornillo
(Oksman & Sain, 2008, p. 81) en la Figura 1.17 se aprecia el esquema de dicha
extrusora.
Figura 1.17 Esquema básico de una extrusora mono-husillo (Oksman & Sain, 2008, p. 82)
Las ventajas de este equipo son su bajo costo y su funcionamiento ampliamente
estudiado (Morton, 2003, p. 96; Oksman & Sain, 2008, p. 81).
Las desventajas incluyen costos tasas de producción bajas, el polímero se funde
con la fibra con mayor riesgo de descomposición térmica, altas revolucione con
riesgo de que se queme la punta del tornillo y dificultad al mantener la temperatura
de fusión cuando existe alta presión (Kim & Pal, 2010, p. 70).
1.2.3.2. Extrusora de doble husillo contra-rotante
El principal objetivo de este equipo es la fusión y la acumulación de presión para la
extrusión de perfiles. Es muy útil para polímeros sensibles al calor, fibras y espumas
de baja temperatura de extrusión, materiales no compuestos como mezclas de
polvos, materiales difíciles de alimentar y materiales que requieren desgasificación.
La tasa de salida de material extruido es independiente de la velocidad del tornillo,
33
por esto puede utilizar unidades de velocidad fija o variable (Richardson &
Lokensgard, 2000, p. 139) (Oksman & Sain, 2008, p. 83) en la Figura 1.18 se
aprecia el esquema de dicha extrusora.
Para el ingreso de los componentes se debe secar la fibra, y asegurar que los
materiales que se alimentan tengan un tamaño uniforme de partícula, para el
ingreso en la extrusora se debe hacer una mezcla de alta intensidad fibra-polímeroaditivos (Kim & Pal, 2010, p. 71).
Figura 1.18 Esquema básico de una extrusora de doble-husillo contra-rotante (Oksman &
Sain, 2008, p. 83)
El mecanismo de fusión de la mezcla se da por el calor transmitido desde el barril
y por la mezcla en el tornillo, que se da por tornillos de corte y mezcladores de
engranajes, la humedad es removida por puertos de venteo al vacío.
Una de las ventajas de este tipo de extrusoras es la baja velocidad del usillo que
generan mezclas de bajo cizallamiento.
Las desventajas que presenta este proceso es la necesidad de un tamaño de
partícula uniforme para los materiales alimentados, requiriendo un sistema de
reducción de tamaño y un sistema de pre-mezcla, el polímero se funde con la fibra
con un alto riesgo de quemar la fibra (Kim & Pal, 2010, p. 71).
34
1.2.3.3. Extrusora de doble husillo co-rotante
Este tipo de extrusoras se usan para todo tipo de mezclas en la industria del plástico
la capacidad de transporte del producto es muy buena y la velocidad del tornillo no
influye a la tasa de salida del material por lo que se puede usar unidades de
velocidad fijas o variables.
En la Figura 1.19 se aprecia el esquema de dicha extrusora con sus partes básicas.
Figura 1.19 Esquema básico de una extrusora de doble-husillo co-rotante (Oksman &
Sain, 2008, p. 83)
Las materias primas que se alimentan no necesitan de ningún tratamiento especial,
tampoco se requiere un pre-mezclado, los sistemas de alimentación son
gravimétricos con alimentadores laterales de doble tornillo.
El mecanismo de fusión incluye el calor del barril, el giro del husillo y la mezcla en
el husillo. La humedad de las fibras debe estar entre 5-8 %, para eliminar los restos
de humedad se usa puertos de ventilación atmosférica y al vacío.
Las ventajas son la alimentación de fibras con contenido de humedad ambiental, lo
que elimina las operaciones de secado y la eficiencia en el mezclado (Oksman &
Sain, 2008, p. 83; Richardson & Lokensgard, 2000, p. 133).
35
Las desventajas son la necesidad de sistemas de alimentación periféricos, altas
velocidades de giro del tornillo y al no poseer tornillo de enfriamiento existe mayor
riesgo de quemaduras (Kim & Pal, 2010, p. 72).
1.2.4. MÉTODOS DE ANÁLISIS EN EL PROCESAMIENTO DEL WOOD
PLASTIC COMPOSITE
En la fabricación del WPC se debe tener en cuenta varios parámetros que definen
la calidad del material como son:
•
Resistencia a la flexión a tres puntos (ASTM D790-10) en este ensayo el
material se somete a un esfuerzo de compresión en la zona central, en el
rodamiento de carga y a los extremos se somete a un esfuerzo de tensión, esto
permite determinar cómo se dará el pandeo del material en el momento de su
uso. (Oksman & Sain, 2008, p. 104)
•
Resistencia a la tracción (ASTM D638-10) determina la fuerza máxima que
soporta el material hasta su punto de fallo, manteniendo constantes las
condiciones ambientales y de velocidad, en la Figura 1.20 se puede apreciar el
equipo de ensayos universales para pruebas mecánicas .
Figura 1.20 Maquina de ensayos universales flexión – tracción (Oksman & Sain, 2008, p.
105)
36
•
Absorción de agua: permite determinar el hinchamiento del material al someterlo
a un contacto prolongado con agua, esto genera una idea del recubrimiento de
la fibra con el polímero, pues la fibra tiende a hincharse al contacto con el agua,
pero, si esta se encuentra recubierta por el polímero, este hinchamiento es
menor; para lograr un mejor recubrimiento de la fibra se debe usar métodos de
activación de las fibras o agentes de acoplamiento que permitirán una unión
más fuerte y por ende un mejor recubrimiento (Klyosov, 2007, págs. 26,27).
•
Degradación microbiana: este parámetro nos indica la porosidad del material
pues a mayores porosidades existe una mayor acumulación de moho en la
superficie. Esta porosidad dependerá de dos factores: la concentración del
material lignocelulósico y la humedad que este posea al momento de hacer el
composite; el uso de biocidas en la formulación previene o disminuye la
degradación microbiana.
•
Oxidación: este parámetro se debe controlar con el uso de antioxidantes, debido
a que este es el motivo principal de los fallos en materiales poliméricos
reciclados expuestos al ambiente (Klyosov, 2007, p. 37), estos antioxidantes
preservan al polímero de las temperaturas de reprocesamiento, y de las
condiciones ambientales a las que será sometido en su uso final.
En el material compuesto de madera plástica la interfase fibra matriz juega un papel
importante al momento de determinar las propiedades físicas y mecánicas del
material, se conoce como interfase a la adhesión que existe entre el polietileno y
el material lignocelulósico, esta adhesión no tiene mayor influencia sobre la rigidez
del material pero si condiciona la resistencia y tenacidad junto con propiedades a
largo plazo como es la fluencia, y la estabilidad a la humedad (Oksman & Sain,
2008, p. 41).
37
1.2.4.1. Índice de fluidez
Es un indicador de flujo de materiales fundidos, el método consiste en hacer fluir el
material fundido a través de un dado y medir el producto al cortar y pesar secciones
del material extruido a determinados tiempos, este se reporta como el peso en
gramos que fluye del material a través del dado capilar en un tiempo de 10 min, un
índice de fluidez bajo significa un peso molecular alto, este es un parámetro
importante para el procesamiento de los plásticos (Morton, 2003, págs. 60, 61).
1.2.4.2. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourie FTIR
Es una técnica usada por su precisión, rapidez y bajo costo, se basa en la absorción
de energía de la molécula en la zona infrarroja del espectro electromagnético, un
compuesto orgánico genera bandas de absorción que son útiles para indicar la
presencia de determinados grupos funcionales.
La zona infrarroja en el espectro electromagnético se encuentra entre
13 300 – 20 cm-1, el IR se divide en tres zonas IR cercano 13 300 – 4 000 cm-1, IR
medio 4 000 – 400 cm-1, IR lejano 400 – 20 cm-1 siendo el IR medio donde se dan
las aplicaciones analíticas (Naranjo & Noriega, 2002, págs. 8,9)
Existen dos tipos de instrumento de IR los dispersivos que usan un prisma o una
red de difracción y los que usan un interferómetro junto con algoritmos basados en
las transformadas de Fourier que permiten la conversión de los interferogramas en
espectros de absorción o transmisión, estos
presentan mayor sensibilidad,
resolución y alta velocidad, (Valcacer & Gómez, 1988, p. 739). Una gran ventaja
de este método es su gran versatilidad pues puede estudiar cualquier muestra sin
importar su estado.
La radiación electromagnética hace que las moléculas del polímero sufran
deformaciones, vibraciones, y desplazamiento de los enlaces en las cadenas del
38
polímero esto hace que las moléculas realicen movimientos de rotación y vibración
al mismo tiempo, existen vibraciones simétricas, antisimétricas, tijereteo, torsión,
aleteo y balanceo (Naranjo & Noriega, 2002, p. 10).
La absorción de la radiación infrarroja provoca cambios en el estado vibracional de
la molécula, cada molécula genera un modo distinto de vibración por lo que los
espectros vibracionales son únicos y se lo conoce como “huella dactilar” (Koenig,
2001, p.s. 5,6).
Para la identificación de polietileno se debe tener en cuenta las bandas
características que posee el polímero en el espectro infrarrojo, estas bandas son a
3 030 – 2 920 cm -1, 1 470 – 1 380 cm -1, 730 -720 cm -1, para saber si es polietileno
de alta densidad debe presentar una banda a 1 368 cm -1 (Naranjo & Noriega, 2002,
p. 17).
1.2.4.3. Calorimetría diferencial de barrido DSC
Este método analítico permite el estudio de los procesos en los que se produce una
variación en la entalpia, permitiendo determinar las transiciones térmicas de
material como la fusión, la cristalización, transición vítrea, calores específicos,
pureza de compuestos, entalpias de reacción y otras transiciones de primero y
segundo orden, el DSC trabaja en un intervalo de temperaturas de -180 °C a
600 °C esto representa una ventaja para el análisis de polímeros ya que estos
presentan todas sus transiciones térmicas en este intervalo de temperaturas
(Naranjo & Noriega, 2002, p. 102,103).
Para el análisis se coloca la muestra en un horno de calentamiento lineal y se
registra la variación de temperatura con respecto a una probeta de referencia,
obteniendo una curva de la cantidad de calor a cada temperatura, cuando se
alcanza la temperatura de transición vítrea la curva produce un salto cuyo inicio
determina la Tg, posterior a esto se puede apreciar las transiciones en la
cristalización, fusión y el inicio de la degradación, como se muestra en la Figura
39
1.21 , debido al elevado peso molecular de los polímeros, las transiciones de
evaporación y sublimación no se dan puesto que el polímero se degrada (Michaeli,
Wegener, & Capella, 1993, p. 142,143).
Figura 1.21 Esquema de un termograma típico de un polímero semicristalino (Michaeli,
Wegener, & Capella, 1993, p. 142)
1.2.4.3.1. Transición vítrea
A temperaturas bajas el polímero se encuentra en un estado vítreo con
movimientos moleculares limitados, al llegar a la temperatura de transición vítrea
empieza el movimiento de las cadenas del polímero, en un material semicristalino
el movimiento se presenta en las zonas amorfas del material, por lo tanto, la
temperatura de transición vítrea marca el cambio de un estado frágil a un estado
elástico. El polietileno posee cadenas flexibles por la naturaleza de sus enlaces por
esto presenta una temperatura de transición vítrea bajo los 0 °C (Groenewoud,
2003, p. 14).
40
1.2.4.3.2. Cristalización
Es un proceso exotérmico en el cual las cadenas del polímero se encuentran a una
temperatura superior a la temperatura de transición vítrea e inferior a la temperatura
de fusión esto, permite que las moléculas tengan más movilidad y cristalicen, la
temperatura de cristalización es cuando se da la máxima velocidad de cristalización
en el polímero (Ehrenstein & Riedel, 2004, p. 8).
1.2.4.3.3. Fusión
Es un proceso endotérmico en el cual se da el cambio de solido cristalino a liquido
isotrópico, la temperatura de fusión es el pico endotérmico donde se obtiene el
máximo flujo de calor, este depende de las fuerzas intermoleculares y la rigidez o
flexibilidad de la cadena del polímero (Groenewoud, 2003, p. 16).
1.2.4.4.Termogravimetría
Mide el cambio del peso de la muestra al incrementar la temperatura, en una
atmosfera determinada y un calentamiento controlado, cuando se produce un
cambio de peso brusco a una temperatura determinada se asume la presencia de
descomposiciones, sublimaciones, absorción entre otras
El equipo mide el porcentaje del peso que se pierde y la temperatura a la que
sucede la perdida obteniendo una curva termogravimétrica (Groenewoud, 2003, p.
62).
41
2.
PARTE EXPERIMENTAL
2.1.
CARACTERIZACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS.
2.1.1. POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
Para este estudio se utilizó polietileno de alta densidad reciclado (PEADr) de jabas,
provenientes de la planta de producción de la Empresa “Cervecería Nacional”, por
medio de una donación de 50 jabas en mal estado. Las jabas presentaban roturas,
tierra, pintura, entre otros contaminantes propios del uso que tienen y de su
apilamiento a la intemperie, En la Figura 2.1 se aprecia el estado de las jabas y
como después de ser cortadas aún se encontraban sucias.
Figura 2.1 Jabas en mal estado antes de ser cortadas y cortadas.
42
2.1.1.1. Acondicionamiento del polietileno
Para el reciclaje se realizó los siguientes procesos:
PRELAVADO
CORTADO
LAVADO
MOLIENDA
Figura 2.2 Preparación del polietileno proveniente de las jabas de cerveza para su
reciclaje.
•
El pre-lavado consistió en desprender de las jabas goma de mascar, adhesivos
y suciedad fácil de remover. Debido al tamaño de las jabas y a la limitación del
espacio no se realizó una limpieza más profunda.
•
El cortado de las jabas se realizó con una sierra eléctrica, tratando de obtener
cuadrados de polietileno de aproximadamente 5 x 5 cm para poder alimentarlos
por la boca del molino de cuchillas, se utilizó la parte exterior de las jabas,
desechando las redes que sostienen las botellas, debido a su mal estado y
dificultad de corte.
•
El lavado de las piezas se realizó con agua y cepillos, para lograr separar la
tierra y otras impurezas, se dejó secar las piezas al ambiente, y se retiró las
piezas de las que no se puedo desprender la suciedad.
•
Para la molienda se utilizó el molino de cuchillas marca SHINI modelo SG-23485
con una frecuencia de 60 Hz.
43
2.1.1.2. Caracterización del polietileno reciclado
Para el polietileno se realizó una caracterización estructural y se determinó su
procesabilidad.
Caracterización estructural
Para la caracterización estructural se realizó las siguientes pruebas:
Densidad: Según la norma ASTM D792 – 08 utilizando un accesorio normalizado
de marca METTLER – TOLEDO, este fue acoplado a la balanza analítica Denver
Instrument Company modelo AA-200, que presenta una capacidad máxima de 200
g y una precisión de 0,0001 g, se realizaron mediciones por triplicado con agua
destilada como fluido de inmersión a una temperatura de trabajo de 19 y 20 °C
medida con un termómetro, 51,5 °C, 0,5 °C, acoplado al kid normalizado, se tomó
el peso de la muestra en el aire y luego se la sumergió en el agua registrando la
variación del peso.
La densidad final fue corregida respecto a la temperatura de trabajo y a la densidad
del agua, el cálculo de la densidad se encuentra en el Anexo I.
Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR: según la
norma ASTM D 5576-00, en un espectrofotómetro Perkin Elmer modelo Espectrum
One. En el material se identificó algunas tonalidades de amarillo, por esto se
clasificó el polietileno en 3 tonalidades: amarillo claro, amarillo rojo, y amarillo
tomate, como se puede apreciar en la Figura 2.4, de cada una de estas se moldeó
laminas finas en la prensa calefactada Carver modelo 2112-2, 400 °C, 5 °C; 500
psi; 7000 psi, a una temperatura de 180 °C por 30 s y una presión de
2 t.
Esto permitió analizar índices de carbonilo, confirmar que el material utilizado es
polietileno de alta densidad al establecer los grupos funcionales y verificar la
inexistencia de otros componentes.
44
Figura 2.3 Tonalidades del polietileno reciclado.
Calorimetría diferencial de barrido DSC: según norma ASTM D3418-08, en un
calorímetro diferencial de barrido marca Netzsch modelo DSC F1 204 Phoenix, 700
°C, 0,1 °C se trabajó en atmosfera inerte con un flujo de 250 ml/min de nitrógeno
grado 4,8, para las 3 tonalidades de amarillo de las muestras. Se pesó el crisol de
aluminio de 25 µl junto con la muestra en una balanza modelo Libror AEL-40SM,
42 g, 0,00001 g. En este ensayo se establecieron los puntos de fusión y la
inexistencia de algún otro tipo de material.
Termogravimetría: según la norma ASTM E1131 – 08 en un equipo de
termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de nitrógeno de
50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min, hasta alcanzar
850 °C, se determinó la temperatura en la que el material empieza a perder peso,
parámetro que condiciona el procesamiento del material.
45
Determinación de la procesabilidad
Con el fin de determinar condiciones de procesamiento y conocer el material que
se iba a utilizar se realizaron las siguientes pruebas:
Índice de fluidez: según la norma ASTM D1238 – 10, a una temperatura de
190 °C y 2,16 kg, usando un plastómetro de extrusión marca CEAST modelo
6942,1 °C, 200 ° C, para determinar la cantidad de material que fluye a través del
orificio de un dado capilar en 10 min. Se realizaron tres mediciones colocando en
el espacio confinado del equipo 5 g de muestra, los pedazos de polietileno
obtenidos se pesaron en la balanza analítica Denver Instrument Company modelo
AA-200, 200 g , 0,0001 g.
Este proceso se repitió con muestras de polietileno reciclado, que se las pasó por
el reómetro una, dos y tres veces a las condiciones de procesamiento que se
establecieron para la mezcla en el numeral 2.2.1.2.
Densidad aparente: según la norma
ASTM D1895-96, usando una balanza
analítica marca METTLER - TOLEDO modelo PG002-S , 5100 g, 0,01 g y una
probeta graduada para medir el volumen que ocupa determinada cantidad de masa
del material, la densidad aparente dependerá del tamaño de las partículas y la
cantidad de orificios que presente el material.
2.1.2. PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS
2.1.2.1 Acondicionamiento del aserrín
Se recolectó aserrín de varios aserraderos, este presentaba gran variedad de
tamaños y contaminantes como cartón, clavos, restos de sierras entre otros. Se
mezcló todo el aserrín, en el suelo usando una pala, a continuación se usó una
malla para eliminar las partículas grandes tanto de aserrín como de contaminantes
con esto se logró un material más homogéneo.
Se realizó un muestreo por el método de cuarteo como se muestra en la
2.4.
Figura
46
Figura 2.4 Proceso de cuarteo del aserrín
Según bibliografía se seleccionó un tamaño de partícula menor a 149 µm (Douglas,
Murphy, Billham, & McNally, 2004) (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011) que
corresponde a un tamiz malla 100 o menor.
Por medio de un análisis granulométrico, se determinó el D80, con el objeto de
determinar el tamaño promedio de partícula presente en el material recogido y el
porcentaje que cumple con el tamaño de partícula requerido existente en el aserrín
recolectado (menor a 149 µm), para esto se usó un agitador de tamices marca
HUMBOLDT MODELO H-4325, en el que se colocó tamices normalizados de malla
número 20, 30, 50, 60 y 100, mesh, ordenados de manera decreciente es decir
sobre la base el tamiz número 100 y en el extremo superior el tamiz número 20, en
este se colocó 200 g de aserrín tomados mediante muestreo por cuarteo. Se ajustó
los tamices en el agitador y se dejó en agitación continua por 30 minutos, se
abrieron los tamices y se pesó la cantidad de material retenido en cada uno, con
esto se realizó el análisis del D80.
Posterior a la determinación del D80 se realizó la separación del aserrín
seleccionado para el proceso, esto constó de las siguientes etapas:
47
SEPARACION DE
GRUESOS E
IMPUREZAS
TAMIZADO
MALLA 100
SEPARACIÓN DE
LIMALLAS
Figura 2.5 Preparación del aserrín para el procesado.
Separación de gruesos e impurezas: Haciendo pasar el aserrín recolectado por
un cedazo, esto permitió tener un aserrín con partícula más homogénea, separando
la mayoría de los contaminantes, facilitando el tamizado en el tamiz normalizado,
para obtener el tamaño de partícula deseada.
Tamizado malla 100: Se usó un tamiz normalizado que cumple con la norma ASTM
E11-09 y un agitador de tamices marca HUMBOLDT modelo H-4325, se colocó
300g del aserrín pasado por el cedazo y se tamizo por 15 min se recolectó el aserrín
menor de 149 µm y se desechó el resto.
Separación de limallas: Con el aserrín a un tamaño de partícula menor a 149 µm
se procedió a pasarlo con un imán para remover las limallas que el aserrín pudiera
presentar, para seguridad de los equipos en el procesamiento.
2.1.2.2. Caracterización del aserrín
Para la caracterización del aserrín se realizó una homogenización por cuarteo del
material ya tamizado (menor a 149 µm), se tomó las muestras y se procedió de la
siguiente manera:
•
Humedad inicial del aserrín: Por el método de diferencia de peso, para esto
se tomó muestras por triplicado, se taró tres capsulas de porcelana en la estufa
marca VENTICELL a 100 °C durante 4 h, en cada una de las capsulas se colocó
aproximadamente 7 g de aserrín, y se las metió a la estufa, a cada hora se
48
pesaron las muestras en una balanza analítica Denver Instrument Company
modelo AA-200, 200 g, 0,0001 g, hasta llegar a un peso constante.
•
Curvas de hidratación por triplicado: Se procedió a secar las muestras hasta
alcanzar peso constante en la estufa marca VENTICELL a 100 °C durante 4h,
se las saco y se las colocó al ambiente, se pesó las muestras en intervalos de
10 min durante la primera hora, a partir de la primera hora se tomó el peso de
las muestras cada 30 min, hasta alcanzar las 2 h, durante las siguientes 6 h se
tomó los pesos en intervalos de 3 h y después cada 24 h hasta los 3 días de
esta forma se dió seguimiento al proceso de hidratación del aserrín al ambiente
durante 72 h.
•
Contenido de cenizas: por el método de calcinación, se tomó muestras por
triplicado de aproximadamente 5 g de aserrín, se las colocó en capsulas de
porcelana previamente taradas y pesadas en una balanza analítica marca
Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g, 0,0001 g, estas fueron
introducidas en una mufla de marca Vulcan A-130 a 500 °C durante 1 h, se tomó
el peso final y se determinó el contenido de cenizas.
•
Densidad aparente: según la norma ASTM C128-12, usando una balanza
analítica marca METTLER - TOLEDO modelo PG002-S , 5100 g, 0,01 g y una
probeta graduada para medir el volumen de determinada masa de material.
•
Análisis termogravimétrico (TGA): según la norma ASTM E1131 – 08 en un
equipo de termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de
nitrógeno de 50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min entre
500 °C a 850 °C, para determinar la estabilidad térmica del aserrín, parámetro
que condiciona el procesamiento del material.
49
2.1.3. AGENTE DE ACOPLAMIENTO
Para su caracterización se realizaron los siguientes análisis:
Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR, según la
norma ASTM D 5576-00, en un espectrofotómetro Perkin Elmer modelo Espectrum
one para esto se moldeó laminas finas en la prensa calefactada Carver modelo
2112-2 400 °C, 5 °C; 500 psi; 7000 psi a una temperatura de 130 °C por 30 s a una
presión de 1 t, se colocó la lámina del material en el equipo y se obtuvo el espectro
del agente de acoplamiento, con esto se procedió a determinar los grupos
funcionales presentes.
Calorimetría diferencial de barrido DSC, según norma ASTM D3418-08, en un
calorímetro diferencial marca Netzsch modelo DSC F1 204 Phoenix, 700 °C,
0,1 °C se trabajó en atmosfera inerte con un flujo de 250 ml/min de nitrógeno, para
pesar el crisol de aluminio de 25 µl y la muestra, se utilizó una balanza modelo
Libror AEL-40SM, 42 g, 0,00001 g, se determinaron las transiciones térmicas del
material.
Termogravimetría según la norma ASTM E1131 – 08 en un equipo de
termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de nitrógeno de
50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min
entre 500 °C a
850 °C, Se definió la estabilidad térmica del material.
2.2.
EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE RECEPCIÓN QUE
PRESENTA EL POLIETILENO RECICLADO AL ADICIONAR
PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS.
Para determinar la capacidad de recepción de partículas lignocelulósicas en el
polietileno, sin el agente de acoplamiento, se realizaron mezclas entre el 5 % al
50
45 % en pasos del 5 % de aserrín con polietileno, de donde se seleccionó la mezcla
que mejores propiedades mecánicas presentó.
2.2.1. PROCESAMIENTO DE LAS FORMULACIONES
Para el procesamiento del material compuesto se realizaron los siguientes
procesos:
SECADO
(Aserrín)
MEZCLADO
(Reometro)
MOLIENDA
(Del producto
del reometro)
TROQUELADO
MOLDEO POR
COMPRESIÓN
SECADO
(Mezcla molida)
Figura 2.6 Pasos del procesamiento del material compuesto
2.2.1.1. Secado del aserrín
Se determinó, según bibliografía, que el aserrín debe tener un contenido de
humedad entre 0-1 % (Ayrilmis, 2012, p. 2) (Villamar, 2013, p. 97), con la
caracterización del aserrín realizada anteriormente, se determinó que se alcanzó
un peso constante en aproximadamente 4 h, por lo tanto se secó el aserrín en una
estufa de marca VENTICELL a 100 °C durante 4 h para garantizar que el contenido
51
de humedad sea menor al 1 % y así garantizar que no exista vapor de agua que
dificulte la unión fibra – polietileno.
2.2.1.2. Mezclado
Las mezclas se prepararon
en un reómetro de torque electrónico marca Haake
modelo Rheomix 600P, se configuró el equipo utilizando rotores Roller para
procesar la mezcla. En cada carga se llenó en un 70 % la capacidad de la cámara,
los cálculos de los pesos en la cámara se encuentran en el Anexo III. Primero se
colocó el polietileno dejándolo fundir por aproximadamente 5 minutos, se abrió la
cámara y se colocó el aserrín, se dejó la mezcla 5 minutos más, pues en ese tiempo
se alcanzó la estabilidad en el reograma (Torque vs. Tiempo) lo cual indica que la
mezcla se encuentra homogénea al mantener el torque constante, la temperatura
de procesamiento fue de 180 °C con una velocidad de giro de 50 rpm (Cui, Lee, &
Bahman, 2008, p. 656) y un tiempo total de 10 minutos.
2.2.1.3. Molienda y secado del material obtenido
Con el material obtenido del reómetro se procedió a moler en un molino de cuchillas
de laboratorio, marca Thomas - WILLE modelo 4 perteneciente al Centro Textil
Politécnico, para cada una de las formulaciones se limpió el molino después de la
molienda, para que no exista contaminación entre las muestras.
Para el secado se colocaron las muestras molidas en cajas de papel aluminio
etiquetadas, en una estufa de marca VENTICELL a 80 °C durante 4 h posterior a
esto se las colocó en un desecador, al vacío, y se procedió a la obtención de las
placas.
52
2.2.1.4. Obtención de placas
Se moldeó placas por el método de moldeo por compresión, en una prensa
calefactada marca Carver modelo 2112-2, 400 °C ,5 °C; 500 psi; 7000 psi, en
moldes tipo flash, a una temperatura de 170 °C dejando que el material se funda
durante 5 min con la prensa abierta; posterior a esto se cerró la prensa por 30 s a
una presión de 2 t, se dejó salir el aire por 10s y se volvió a cerrar la prensa por
30 s más a una presión de 4 t. Se verificó que las placas no presenten defectos en
su superficie, como burbujas de aire o piel de naranja. Con las placas en buen
estado se realizaron los análisis de las mezclas.
En la Figura 2.7 se puede apreciar las dimensiones del molde tipo flash.
Figura 2.7 Molde tipo flash utilizado en el moldeo por compresión
53
2.2.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES
2.2.2.1. Determinación de la dispersión
Se analizó el mezclado distributivo y dispersivo a contraluz por medio de un
negatoscopio con luz fluorescente, de acuerdo al procedimiento establecido en el
Centro de Investigaciones Aplicadas a polímeros CIAP de la Escuela Politécnica
Nacional, se evaluó las características detectables visualmente como la
degradación de las partículas lignocelulósicas (cambios de color en las partículas)
y fijación a la matriz, esto se lo realizó macroscópicamente y verificando que no
existan zonas en las que el material presente solo polietileno o solo aserrín,
asegurando homogeneidad de color en las placas, esto se lo realizó utilizando una
cuadricula, verificando que exista un mezclado distributivo y dispersivo en cada
zona.
2.2.2.2. Ensayos mecánicos
Ensayo de tracción: Usando la norma ASTM D 638-10, se procedió a troquelar
las probetas, usando las placas que se detallaron en el numeral anterior, se usó un
troquel de marca CEAST, con un molde tipo halterio, se tomó el espesor de las
probetas con un medidor de espesores marca mitutoyo modelo ID-C112 XBS para
el ensayo de tracción se utilizó un equipo de ensayos universales marca INSTRON
modelo 1011, la separación de las mordazas fue de 6,5 cm y una velocidad de
deformación constante de 51 mm/min.
Ensayo de flexión: Usando la norma ASTM D790 – 10, se procedió a troquelar
probetas rectangulares, se usó el mismo equipo que en el ensayo de tracción con
una configuración de flexión a 3 puntos adaptada en la máquina de ensayos
universales y se cambió la programación del equipo a flexión.
54
Se compararon las propiedades, del material obtenido, con las del polietileno solo.
Se seleccionó, la mezcla que presentó las mejores propiedades con la mayor
concentración de partículas lignocelulósicas incorporadas.
Adicional a esto se realizó:
Ensayo de dureza: Según la norma ASTM D2240-05, a las muestras
seleccionadas con mejores propiedades (Muestras al 15 % de aserrín con y sin
agente de acoplamiento), usando un durómetro Shore D marca BAREISS fm00087
análogo. Se tomaron muestras del material verificando que el espesor de la placa
utilizada sea mayor a 6 mm, para la medición se colocó las placas en una superficie
dura y sin inclinaciones, con el durómetro se tomó de cada placa 10 mediciones de
dureza, cuidando de no volver a hundir el durómetro en el mismo punto que ya se
tomó la medición.
Densidad: Se tomó la densidad del material final obtenido, según la norma ASTM
D 6111-09 utilizando un accesorio normalizado de marca Mettler – Toledo acoplado
a la balanza analítica Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g, 0,0001g,
se realizaron mediciones por triplicado con agua destilada como fluido de inmersión
a una temperatura de trabajo de 19 y 20 °C medida con un termómetro Mettler –
Toledo, 51,5 °C, 0,5 °C, acoplado al equipo, se tomó el peso de la muestra en el
aire y luego se la sumergió en el agua registrando la variación del peso.
La densidad final fue corregida respecto a la temperatura de trabajo y a la densidad
del agua.
2.3.
EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL AGENTE DE
ACOPLAMIENTO
En los literales anteriores se determinó la máxima cantidad de aserrín, que soporta
el polietileno, antes que sus propiedades se vean comprometidas seriamente, con
la cantidad de aserrín fijada, se procedió a añadir el agente de acoplamiento al
0,5 %; 1,0 %; 1,5 %; 2,0 %; 3,0 %; 5,0 % (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011, p. 2).
55
El proceso de mezclado fue realizado de igual manera que el de las mezclas
anteriores, es decir, se secó el aserrín, se utilizó el reómetro de torque electrónico
marca Haake modelo Rheomix 600P, se utilizó rotores Roller para procesar la
mezcla, en este procedimiento lo que cambió fue la manera de colocar los
componentes, pues primero se dejó fundir el polietileno por aproximadamente 5
min, posterior a esto se abrió la cámara y se colocó el agente de acoplamiento, una
vez alcanzada la estabilidad en el reograma se adicionó el aserrín, dejando a la
mezcla alcanzar nuevamente la estabilidad en el reograma aproximadamente en
10 min.
El procedimiento que se realizó a continuación para la evaluación de las
formulaciones, fue exactamente igual al que se describió en el numeral 2.2.2. para
el sistema Polietileno–Aserrín evaluando de la misma manera las propiedades
mecánicas, densidad y homogeneidad en el mezclado.
Se compararon las propiedades de cada una de las mezclas que contenían agente
de acoplamiento, con la mezcla a la concentración seleccionada que no contiene
agente de acoplamiento.
Se eligió, la dosificación que presentó las mejores propiedades con la menor
concentración de agente de acoplamiento.
2.3.1. ACTIVACIÓN DEL ASERRÍN
Para favorecer la unión aserrín-agente de acoplamiento-polietileno se realizó la
activación del aserrín por el método alcalino (Cui, Lee, & Bahman, 2008, p. 656),
colocando al aserrín en un vaso de precipitación en una solución de hidróxido de
sodio al 3 % W/V durante 1 h, posterior a esto se lavaron las fibras con agua
destilada y se las secó a 90 °C durante 24 h, para continuar el proceso de la forma
citada anteriormente.
Este procedimiento solo se realizó una vez para comprobar que las propiedades
son las mismas si se activa o no el aserrín, y se decidió no realizar la activación del
mismo.
56
Figura 2.8 Activación del aserrín por el método alcalino, utilizando una solución de
Na(OH) al 3 %W/V
2.4.
DISEÑO DE UNA PLANTA A ESCALA PILOTO DE GRANZA
DE MADERA PLÁSTICA.
2.4.1. INGENIERÍA CONCEPTUAL
2.4.1.1.
Capacidad y localización
Para fijar la capacidad de la planta se consideró la cantidad de residuos sólidos que
se produce en la ciudad de Quito, y que van a la estación de transferencia norte,
en esta un porcentaje es reciclado y otro es catalogado como desechos de rechazo
(EMGIRS-EP, 2014, p. 1), la capacidad de la planta se estimó de acuerdo a la
cantidad de materia prima plástica reciclada disponible (ver Anexo IV), pues el otro
componente, el aserrín, es de fácil adquisición al ser un desecho de la industria
maderera.
Para seleccionar la localización de la planta se tomó en cuenta la macrolocalización que hace referencia a la zona que mejores prestaciones dará a la
planta, por la cercanía de proveedores de materia prima y la facilidad de acceso al
lugar. Además se debe tomar en cuenta la micro-localización que se enfoca a la
existencia de servicios básicos, regulaciones municipales, disponibilidad de mano
de obra y facilidad de movilización de empleados (Sinnot, 2005, p. 892).
57
2.4.2. INGENIERÍA BÁSICA
2.4.2.1. Balances de masa y energía
Se realizó el balance de masa tomando en cuenta la producción de la planta, con
una producción continua 24 h (ver Anexo IV).
La concentración del aserrín y la cantidad de agente de acoplamiento se fijó
experimentalmente, y a partir de esto se calculó la cantidad requerida de aserrín,
agente de acoplamiento y polietileno reciclado para un día de producción.
Se diseñó de manera preliminar una planta piloto para obtener granza de madera
plástica.
El consumo energético de la planta se llevó a cabo tomando en cuenta las horas
de funcionamiento de los equipos y sus respectivas potencias demandadas.
Para la distribución de los equipos en planta se realizaron los diagramas de flujo
(PFD), diagrama de bloques (BFD), un Lay out de la planta con los equipos y etapas
del proceso, además, se estableció el área necesaria para la instalación de la
planta.
2.4.2.2. Selección y dimensionamiento de equipos
Para establecer el proceso tecnológico se realizaron varias pruebas en la extrusora
de doble husillo marca Jiangsu Xinda Science & Technology modelo CLAMSHELL
PSHJ-35 calibrando las condiciones de la extrusora para el procesamiento del
producto deseado, a continuación se describen los pasos seguidos:
58
2.4.2.2.1. Curvas de calibración
Para la dosificación del aserrín, polietileno y agente de acoplamiento se
construyeron curvas de calibración de la tolva principal y de la secundaria, en la
tolva principal se dosifico el polietileno mientras que en la secundaria se dosificó el
agente de acoplamiento y el aserrín por separado, según la mezcla que se estaba
realizando. Para la calibración el procedimiento fue el mismo para los tres
materiales:
•
Se llenó la tolva hasta una altura determinada, teniendo la precaución de
mantener constante la altura durante el proceso de calibración.
•
Se prendió el motor de la tolva y se fijó velocidad de giro del tornillo de arrastre.
•
Se esperó que el flujo se estabilice a esa velocidad y se tomaron 5 muestras
de la cantidad de material que entrega la tolva en 1 min.
•
Las muestras fueron pesadas en una balanza analítica marca METTLER TOLEDO modelo PG002-S.
•
Para repetir el proceso y obtener otro punto para la curva, se varió la frecuencia
se esperó que se estabilice nuevamente y se repitió la toma de las 5 muestras
en el tiempo determinado.
•
Se realizó un gráfico de flujo másico versus velocidad de rotación para conocer
la cantidad de material que se puede dosificar a determinada velocidad.
Para cada material el rango de velocidades de la tolva fue diferente puesto que
las densidades y tamaños de partícula eran diferentes en los 3 casos.
2.4.2.2.2. Perfil de temperaturas
Se realizaron pruebas en la extrusora, para establecer un perfil de temperaturas de
procesamiento de los componentes:
•
Se fijó el perfil de temperatura para el polietileno reciclado, tomando en cuenta
las condiciones obtenidas en la caracterización del material y en el
59
procesamiento previo que se realizó en el mezclador interno, se variaron las
temperaturas de manera ascendente hasta lograr que el material salga de la
extrusora sin restos de material sin fundir y que el tallarín sea continuo sin
espacios de aire, adicional a esto se ajustó la velocidad de giro del usillo
tomando tiempos de residencia del material dentro del barril a diferentes
velocidades de giro y se determinó la velocidad que junto con la temperatura
permitían que el tallarín salga sin problemas .
•
Una vez que se fijaron estas temperaturas y la velocidad del husillo, se procedió
a alimentar el aserrín, usando las curvas de calibración obtenidas, se dosificó el
aserrín al porcentaje previamente fijado, se mantuvo las temperaturas
establecidas para el polietileno reciclado puesto que el material corrió sin
dificultad y se tomó nuevamente el tiempo de residencia dentro del barril, se
verificó que el material salga de manera homogénea sin que exista betas de
color amarillo correspondientes al polietileno sin mezclar
•
Para el agente de acoplamiento se disminuyó la temperatura de ingreso de la
alimentación puesto que el agente de acoplamiento tiene una temperatura de
fusión baja y esto dificulta el arrastre de este material debido a que se funde
prematuramente en esta zona.
2.4.2.2.3. Mezclado del material en la extrusora
Se mezcló en la extrusora primero el polietileno y el agente de acoplamiento a la
concentración requerida puesto que el equipo dispone de dos tolvas se colocó el
polietileno en la tolva principal y el agente de acoplamiento en la secundaria, se
extruyó el material, se lo cortó y recogió.
Con el polietileno impregnado de agente de acoplamiento se volvió a calibrar la
tolva principal de la manera descrita anteriormente puesto que el tamaño de
partícula varió y la calibración anterior del polietileno ya no era útil.
60
A continuación se dosificó el aserrín junto con la mezcla polietileno-agente de
acoplamiento y se obtuvo el material compuesto formulado.
2.4.2.2.4. Calibración del peletizador
•
Se prendió el motor del peletizador y se fijó velocidad de arrastre, se alimentó
el tallarín que sale de la extrusora y se esperó que todo el sistema esté en
equilibrio.
•
Se tomaron 5 muestras de la cantidad de material que entrega el peletizador
en 1 min.
•
Las muestras fueron pesadas en una balanza analítica marca METTLER TOLEDO modelo PG002-S.
•
Para repetir el proceso y obtener otro punto para la curva, se varió la frecuencia
del giro del husillo y del peletizador, se esperó que se estabilice nuevamente
y se repitió la toma de 5 muestras en el tiempo.
•
Se realizó un gráfico de flujo másico versus velocidad de giro, para conocer la
cantidad de material que se puede obtener a determinada velocidad de giro
del husillo.
2.5.
DETERMINACIÓN
DE
LA
INVERSIÓN
ECONÓMICA
REQUERIDA.
2.5.1. COSTOS DE MATERIA PRIMA
Las materias primas provienen de reciclaje, esto hace que su precio no se pueda
determinar, dado que la venta de plásticos reciclados se da de manera informal no
se encontró precios oficiales, el precio usado para el polietileno se estima a partir
de los precios de mercado local.
El costo del agente de acoplamiento (Licocene®) se obtuvo por proforma.
61
El aserrín es un desecho en las industrias madereras por lo tanto el costo del aserrín
es el costo del transporte que se use para el acopio del mismo.
2.5.2. COSTOS DE EQUIPOS Y SERVICIOS AUXILIARES
Los costos de los equipos se obtuvieron de las proformas de los proveedores
consultados.
Los costos de energía eléctrica y agua se determinaron a partir de las tarifas
establecidas por el Distrito Metropolitano de Quito para zonas industriales.
62
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.
CARACTERIZACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS
3.1.1. POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD RECICLADO
3.1.1.1.
Caracterización estructural
Densidad
En la Tabla 3.1 se presenta el valor de la densidad del polietileno reciclado obtenida,
la cual se encuentra dentro del rango para polietileno de alta densidad que propone
Peacook (2000).
Tabla 3.1 Densidad del polietileno de alta densidad reciclado según la norma ASTM
D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión
PEADR
Densidad
Temperatura
[g/cm3]
[°C]
0,9558 + 0,0103
20
Este resultado es el primer indicio de tratar con un polietileno de alta densidad, se
debe tener presente que el material al ser reciclado está dentro de un proceso
degradativo, adicional a esto la densidad del material se ve influenciada por la
adición de pigmentos, cargas y aditivos, que son usados generalmente para el
procesado de polímeros, por esto, este parámetro no es determinante para la
caracterización, pues la densidad obtenida es la consecuencia de la variación en la
estructura molecular del material, debido a su uso y al procesamiento al que ha sido
sometido.
63
Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourier FTIR
Para caracterizar el polietileno de alta densidad reciclado, se separó en tres colores
la granza obtenida de la molienda de las jabas de cerveza, en la Figura 3.1 se
aprecia las tres tonalidades existentes.
Figura 3.1 Clasificación por colores del polietileno existentes en el material reciclado
El polietileno de alta densidad presenta bandas características entre 3 030 –
2 920 cm -1, 1 470 – 1 380 cm -1, 730 -720 cm -1, para confirmar la presencia de
polietileno de alta densidad debe existir una banda a 1 368 cm
-1
(Naranjo &
Noriega, 2008, p. 17).
En la Figura 3.2 se aprecian los espectros pertenecientes a las tres muestra
sobrepuestas con un estándar de polietileno de alta densidad, en esta figura se
64
puede ver la presencia de bandas a 2 916,65, 1 472,68, 1 463,30, 730,31,
719,76 cm-1, que son características de la presencia de polietileno, el
espectrograma presenta una banda a 1 367,89 cm-1 que indica la presencia de
polietileno de alta densidad.
Figura 3.2 Espectros del polietileno reciclado de las tres muestras sobrepuesto un espectro
estándar de polietileno de alta densidad
Los espectrogramas de las tres muestras superpuestas al estándar de polietileno
de alta densidad, confirman la naturaleza del polímero reciclado y lo definen como
polietileno de alta densidad.
En la Figura 3.3 se encuentran superpuestos los espectrogramas de las tres
muestras junto con un estándar de polipropileno para analizar la inexistencia de
polímeros contaminantes.
65
Date: 27/12/2000
100.0
90
80
1368.49
70
60
%T 50
40
30
20
1375.81
10
3.1
4000.
0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
600
450.0
DC-OTI0022-2014 2pehdamarillo.003 DC-OTI0022-2014 3pehdtomate.003 29/10/2000
DC-OTI0022-2014 4pehdrojo.003 30/10/2000
Stand PP.sp - 27/12/2000 - AP0065 POLYPROPYLENE,
ISOTACTIC
Figura 3.3 Espectros del polietileno de alta densidad reciclado por colores sobrepuesto un
espectro estándar de polipropileno.
Se verificó la inexistencia de polietileno de baja densidad, descartando la presencia
de una banda en 1 376 cm-1 en las tres muestras. Para descartar la presencia de
polipropileno se sobrepuso un espectro estándar de este; se confirmó que la banda
característica del polipropileno que según Naranjo (2008) está en 1 380 cm-1; en
las muestras estudiadas no está presente.
En la Figura 3.4 se observa la ampliación del espectro entre los 1 400 y 1 280 cm-1
, zona en la que se encuentra la banda característica del polipropileno isostáctico
como se puede ver en el estándar sobrepuesto al espectro de las muestras, en el
cual se aprecia que las tres muestras no presentan un pico en esta zona,
confirmándose una vez más la inexistencia de contaminantes de polipropileno.
66
Figura 3.4 Espectro ampliado del polietileno reciclado sobrepuesto al polipropileno
isotáctico
En la Figura 3.5 se muestra la ampliación del espectro entre 1 880 y 1 580 cm-1 en
esta zona según Albano (2003) se encuentran los grupos carbonilos, mientras más
acentuada es la banda, existe un mayor grado de degradación del material
Figura 3.5 Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los
grupos carbonilos entre 1 880 y 1 580 cm-1
67
Cada una de las muestras presenta bandas de carbonilo diferentes, siendo la banda
de la muestra de color rojo la menos acentuada y la banda de la muestra de color
amarillo la más acentuada. El polietileno de las jabas recicladas presenta diferentes
niveles de degradación, debido a la procedencia de cada una de las jabas y al
servicio que prestaron en su vida útil, esto generó una degradación que se refleja
en la presencia de las bandas de carbonilo en el espectro. Es preciso anotar que la
empresa “Cerveceria Nacional” entrega estas jabas para su reprocesamiento, esto
podría generar la variación de colores pues en el reproceso se pudo añadir
pigmentos y aditivos para mejorar las propiedades.
En la Figura 3.6 se amplió el espectro entre 1 020 y 886,2 cm-1, para analizar la
presencia de grupos vinílicos a los 990 o 910 cm-1, esto es un indicativo del método
de obtención del polímero (Karlsson, 2004) en el espectro se puede ver la existencia
de bandas a los 908,47 cm-1, esto sugiere la utilización del método de obtención
Phillips, en el cual las terminaciones de las cadenas son grupos vinílicos y metilos
obteniendo polietileno de alta densidad con un alto peso molecular. Los grupos
vinílicos también son un indicativo de la reticulación del polímero y de la formación
de ramificaciones de cadena larga lo cual indica la presencia de un proceso
degradativo (Albano & Perera, 2003, p. 139).
Date: 27/12/2000
989.14
908.49
%T
987.83
908.49
989.79
1026.5 1020
1010
1000
990
980
970
960
950
940
930
920
910
900
886.2
cm-1
DC-OTI0022-2014 2pehdamarillo.003 - 29/10/2000
DC-OTI0022-2014 3pehdtomate.003 - 29/10/2000
DC-OTI0022-2014 4pehdrojo.003 - 30/10/2000
Figura 3.6 Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los
grupos vinílicos entre 1 020 y 886,2 cm-1
68
Según los resultados obtenidos por medio de espectroscopía de infrarrojo por
transformadas de Fourier el polietileno de color amarillo presenta un grado mayor
de degradación que la de las otras dos muestras, que presentan un color más
sólido, esto puede deberse a la procedencia del material y que cada jaba presenta
diferentes grados de degradación, se sospecha la presencia de material reciclado
para la elaboración de las jabas.
Calorimetría diferencial de barrido DSC
Por medio de los termogramas de las tres muestras del polietileno reciclado se
determinó las temperaturas de fusión en cada caso.
Con la calorimetría diferencial de barrido se confirma que no existe otro material
contaminante pues se obtiene un solo punto de fusión en los termogramas, esto
junto con el análisis del espectro infrarrojo confirma la inexistencia de
contaminantes poliméricos.
Según bibliografía para un polietileno de alta densidad la temperatura de fusión se
encuentra en un rango de 130 -135 °C (Naranjo & Noriega, 2008, p. 52). En las
Figuras 3.7, 3.8 y 3.9 se indican las temperaturas de fusión para las muestras, estos
datos están fuera del rango indicado para el PEAD.
Según la literatura consultada esto puede deberse a la procedencia del polímero y
su método de obtención y procesamiento, según Chanda y Roy, una temperatura
de fusión superior a la normal indica un peso molecular alto del polietileno de alta
densidad.
Las temperaturas de fusión de las tres muestras se encuentran entre
137.2-141.2 °C, esto sugiere la presencia de polietileno de alto peso molecular, se
sabe que para procesar polietileno de alto peso molecular se realizan mezclas con
polietileno de alta densidad, facilitando así su procesamiento (Chanda & Roy, 2007,
p. 47), los valores de temperatura obtenidos, al estar fuera del rango de un
polietileno de alta densidad, sugieren la presencia de una mezcla de polietileno de
alto peso molecular con PEAD en su procesamiento primario y su temperatura de
fusión es el resultado de la mezcla de estos dos .
69
Figura 3.7 Termograma del polietileno reciclado de color amarillo
Figura 3.8 Termograma del polietileno reciclado de color tomate
Figura 3.9 Termograma del polietileno reciclado de color rojo
70
Los datos obtenidos en los termogramas sugieren que la temperatura de fusión del
polietileno de alta densidad reciclado considerada para el proceso de mezcla debe
ser 140 °C, ya que el material que se utilizó es una mezcla de los tres colores de
polietileno encontrados los cuales presentan diferentes puntos de fusión. Con esto
se aseguró la fusión del material reciclado.
Termogravimetría
Por medio del análisis termogravimétrico se determinó la temperatura máxima a la
cual puede ser sometido el polímero, que es de 402,48 °C como se puede ver en
la Figura 3.10.
En este análisis se puede ver una solo pérdida de peso significativa a los
402,48 °C, en el cual se pierde 98,14 % del peso, siendo esto un indicativo del
proceso de descomposición térmica que sufre el polímero, este paso termina a los
538,13 °C.
Figura 3.10 Termogravimetría del polietileno de alta densidad reciclado.
71
Esta pérdida de peso significativa a los 402.48 °C sugiere una degradación térmica
del material reciclado, esto determinó que la temperatura máxima de procesamiento
esté por debajo de la obtenida en el termograma, para asegurar que el polietileno
reciclado no pierda sus propiedades por la degradación térmica.
3.1.1.2.
Determinación de la procesabilidad
Índice de fluidez
En la Tabla 3.2 se aprecia que el índice de fluidez del polietileno reciclado es de
5,369 g/10min, pero al reprocesarlo en el mezclador interno este índice de fluidez
aumenta, esto según bibliografía puede deberse a un mecanismo de degradación
debido al corte de cadenas que se da por la temperatura, la oxidación y la fuerza
de cizalla aplicada en el reprocesado (De Abreu & Osswald, 2014).
Tabla 3.2 Valores del índice de fluidez del polietileno de alta densidad reciclado sin pasar
por el reómetro y después de haber pasado por el reómetro por tres ocasiones.
Reciclado
Numero
MFI
de
[g/10min]
procesos
PADR
0
5,3691 + 0,0851
PADRMIX1
1
5,5624 + 0,0652
PEADRMIX2
2
5,9912 + 0,1507
PEADRMIX3
3
6,5726 + 0,0149
El índice de fluidez permitió establecer cualitativamente la presencia del proceso
degradativo. Se debe tomar en cuenta el manejo que tuvo el material antes de su
reciclaje. Las jabas al estar sometidas a factores químicos y mecánicos que
generan degradación como la radiación UV, agentes oxidantes, líquidos,
apilamiento de jabas, almacenamiento a la intemperie entre otros, han favorecido
a la degradación del material en el reproceso.
72
En la Figura 3.11 se puede apreciar el porcentaje en que el índice de fluidez fue
aumentando en cada uno de los reprocesos con respecto al índice de fluidez inicial
del polietileno de alta densidad reciclado.
Ϯϱ͕ϬϬй
йĂƵŵĞŶƚŽD&/΀ŐͬϭϬŵŝŶ΁
ϮϮ͕ϰϭй
ϮϬ͕ϬϬй
ϭϱ͕ϬϬй
ϭϭ͕ϱϵй
ϭϬ͕ϬϬй
ϱ͕ϬϬй
ϯ͕ϱϵй
Ϭ͕ϬϬй
Ϭ͕ϬϬй
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
EƷŵĞƌŽĚĞƌĞƉƌŽĐĞƐŽƐĞŶĞůƌĞŽŵĞƚƌŽ
Figura 3.11 Porcentaje del aumento del índice de fluidez del polietileno reciclado pasado
por el reómetro en tres ocasiones
Este porcentaje de aumento del índice de fluidez en cada reproceso confirma el
ciclo degradativo al que es sometido el polietileno de alta densidad reciclado, se
debe tener en cuenta que el grado de degradación presente ya en el material
favorecer el aumento de este resultado.
Densidad aparente
Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.3 se aprecia que es el 48 % de
la densidad real; según Beltrán y Marcilla (2012) esto indica que el material al
moverse hacia abajo para la dosificación por acción de su propio peso, disminuirá
el efecto de puenteo, facilitando la dosificación del mismo.
73
Tabla 3.3 Densidad aparente del polietileno de alta densidad reciclado según la norma
ASTM D1895-96
Peso
Volumen
3
Densidad
(g)
(cm )
(g/cm3)
27,11
59
0,45
26,42
57
0,46
25,22
53
0,47
25,63
54
0,47
22,9
53
0,43
25,19
54
0,46
24,3
54
0,45
22,8
51
0,44
Densidad promedio
(g/cm3)
Desviación estándar
0,45
0,01
3.1.2. PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS
3.1.2.1. Humedad inicial
Para la fabricación del WPC según Ayrilmis (2012) el aserrín debe contener un
grado de humedad entre 0-1 %, se determinó gravimétricamente el contenido de
humedad inicial presente en el aserrín a utilizarse, este valor fue de
6,9436 + 0,0881 %
Esto se debe a que el aserrín es altamente higroscópico y al almacenarlo al
ambiente absorbe la humedad del medio.
Este resultado indica que el aserrín antes de ser utilizado debe ser sometido a un
secado previo para alcanzar el grado de humedad requerido.
74
3.1.2.2. Curva de hidratación
El aserrín alcanzó el peso constante después del secado en la estufa a 100 °C por
4 h, para saber el tiempo en el que el aserrín vuelve a hidratarse se realizaron
curvas de hidratación, esto facilitó el manejo del aserrín antes de ser alimentado,
en la Figura 3.12 se observa el proceso de hidratación del aserrín en el tiempo, este
al inicio aumenta su contenido de humedad en mayor cantidad, hasta llegar a un
punto donde el contenido de humedad tiende a ser constante pasadas las 20 h.
ϴ͕ϬϬй
ϳ͕ϬϬй
WŽƌĐĞŶƚĂũĞĚĞ,ƵŵĞĚĂĚ
ϲ͕ϬϬй
ϱ͕ϬϬй
ŶƐĂLJŽϮ
ϰ͕ϬϬй
ŶƐĂLJŽϭ
ϯ͕ϬϬй
ŶƐĂLJŽϯ
Ϯ͕ϬϬй
ϭ͕ϬϬй
Ϭ͕ϬϬй
Ϭ
ϭϬ
ϮϬ
ϯϬ
ϰϬ
ϱϬ
ϲϬ
ϳϬ
ϴϬ
dŝĞŵƉŽ΀Ś΁
Figura 3.12 Curvas de hidratación del aserrín seco durante 72 h
De este análisis se ha determinado que el tiempo de alimentación del aserrín al
ambiente no debe ser mayor a 20 min ya que pasado este tiempo el contenido de
humedad supera lo requerido.
75
3.1.2.3. Contenido de cenizas
Debido al modo de manejo del aserrín en los aserraderos este tiene contacto con
varios
contaminantes,
el
contenido
de
cenizas
en
el
aserrín
es
del
6,7418 + 0,0036 %, este valor refleja la cantidad de contaminantes presentes en el
aserrín que ingresa al proceso, los mismos que pueden ser soportados por la matriz
como relleno pero si este valor aumenta representará un problema para el
procesamiento puesto que al ingresar en la mezcla disminuirá las propiedades en
la unión polietileno aserrín.
3.1.2.4. Densidad aparente
Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.4 podemos ver que este valor
es de 0,21 g/cm3; según Beltrán y Marcilla (2012) si el valor de la densidad aparente
es bajo el material es ligero y se generará problemas al momento en que el material
se mueva a la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso, esto indica
que el material dará problemas de fluidez al alimentarse en la tolva generando la
formación de puente en la garganta de la tolva, para mantener un flujo constante
se deberá adicionar agitación.
76
Tabla 3.4 Densidad aparente del aserrín
Peso
Volumen
3
Densidad
(g)
(cm )
(g/cm3)
18,95
86
0,22
19,04
87
0,21
19,75
94
0,21
19,61
93
0,21
18,060
84
0,21
18,16
82
0,22
21,31
98
0,21
19,64
94
0,20
Densidad Promedio
(g/cm3)
Desviación estándar
0,21
0,004
3.1.2.5. Separación por tamaños
En la Tabla 3.5 se detalla la distribución de tamaños para cada uno de los tamices
utilizados, según bibliografía se seleccionó un tamaño de partícula menor a 149 µm
(Douglas, Murphy, Billham, & McNally, 2004) (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011)
que corresponde a un tamiz malla 100 o menor, para favorecer al unión fibra matriz.
Para este tamiz, se puede ver qué el porcentaje que pasa por el mismo es del
17,46 %.
77
Tabla 3.5 Peso del aserrín retenido en cada uno de los tamices para determinar los tamaños
de partícula
Abertura
Abertura
Malla
Peso
Porcentaje
Retenido
Pasado
retenido
retenido
acumulado
acumulado
[mm]
[µm]
[g]
[%]
[%]
[%]
20
0,841
841
5,78
2,890
2,89
97,11
30
0,595
595
24,83
12,41
15,30
84,69
50
0,297
297
73,50
36,75
52,05
47,94
60
0,250
250
24,60
12,30
64,35
35,64
100
0,149
149
36,37
18,18
82,54
17,46
33,50
16,75
99,29
0,71
ERROR
1,42
0,71
100
TOTAL
200
100
-100
PESO
INICIAL
200
[g]
En la Figura 3.13 se puede apreciar que el D80 del material que se ha reciclado es
de un tamaño de partícula de 560 µm, por lo cual se debe realizar un proceso de
molienda del aserrín pues el 80 % del material no cumple con el tamaño de partícula
requerido para el procesamiento.
W^KhDh>K΀й΁
ϭϮϬ
ϭϬϬ
ϴϬ
ϲϬ
ϰϬ
ϮϬ
Ϭ
ϭϬϬ
ϭϬϬϬ
ZdhZ>D>>΀ђŵ΁
Figura 3.13 Determinación del D80 del aserrín distribución granulometría
78
3.1.2.6. Termogravimetría
Por medio de la termogravimetría se determinó la temperatura máxima que puede
soportar el aserrín antes de empezar su proceso degradativo, en la Figura 3.14 se
puede apreciar que la pérdida de peso se da en cuatro pasos:
El primero empieza a los 31,33 °C y dura hasta los 104,81 °C, debido al intervalo
de temperaturas en el que se da esta pérdida, se evidencia que el aserrín pierde
agua, pues el aserrín es altamente higroscópico, la pérdida de peso es del
2,94 %.
En el segundo paso se pierde 24,39 % del peso, la temperatura a la que empieza
es de 207,94 °C y termina a los 326,76 °C en esta etapa según Raveendran (1996)
se pierde componentes extractables como terpenos, taninos, ácidos grasos, aceites
y resinas.
En el tercer paso se pierde el 36,933% de peso, desde los 325,49 °C hasta
406,32 °C que refleja la descomposición de la hemicelulosa (Raveendran &
Ganesh, 1996).
El cuarto desde los 407,94 °C hasta los 918,90 °C, se pierde el 13,60 % de peso
que corresponde a la descomposición de la celulosa y la lignina (Manals, Penedo,
& Giralt, 2011).
Figura 3.14 Termogravimetría del aserrín reciclado
79
De esta información se define la temperatura de procesamiento del aserrín al
momento del mezclado con la matriz, esta debe estar por debajo de los
207,94 °C, para evitar la degradación del componente lignocelulósico, se usó un
factor de seguridad de 10%, la temperatura máxima a la que se trabajará será
187,14 °C.
3.1.3. AGENTE DE ACOPLAMIENTO
3.1.3.1. Espectroscopía de Infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR
El agente de acoplamiento usado es una cera de polietileno maleizado, por lo tanto
en el espectro infrarrojo que se aprecia en la Figura 3.15, se presentan bandas
entre 3 030 – 2 920 cm-1, 1 470 – 1 380 cm-1, 730 -720 cm-1 (Naranjo & Noriega,
2008, p. 17) estas bandas son la huella digital del polietileno, adicional a esto se
aprecia una banda en 1 375.79 cm-1 que nos indica la presencia de polietileno de
baja densidad, esto es normal pues el polietileno de baja densidad en pequeñas
concentraciones favorece la fluidez de la mezcla, mejorando el recubrimiento de las
partículas de refuerzo con el agente de acoplamiento, favoreciendo la unión fibramatriz.
Date: 24/01/2013
100.0
90
2329.11
80
932.55
3930.87
718.61
3816.60
1711.23
70
60
1375.79
3472.36
1462.05
%T
50
1114.49
40
30
2965.77
20
2915.11
2848.03
10
3.2
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
DC-OTI0013-2013 Licocene.004 - 22/01/2013
Figura 3.15 Espectro infrarrojo del agente de acoplamiento
650.0
80
La presencia de grupos anhídridos y ácidos carboxílicos se puede ver entre los
1 720 - 1 701 cm-1 (Rojas de Gascue, 2005, p. 390) esto es indicativo de la presencia
del anhídrido maleico en el espectrograma de la Figura 3.15 se observa una banda
a los 1 711,23 cm-1, con esto se confirma la presencia de la unión polietileno
anhídrido maleico, que actuará en la mezcla como agente de acoplamiento.
3.1.3.2. Calorimetría diferencial de barrido DSC
En el termograma que se presenta en la Figura 3.16 se observa que la temperatura
de fusión para el agente de acoplamiento es 122,80 °C, esta temperatura es menor
que la del polietileno reciclado utilizado para el material compuesto.
Al ser un polietileno de baja densidad su temperatura de fusión debería estar entre
105 °C - 115 °C (Naranjo & Noriega, 2002, p. 48), pero al ser una cera de polietileno
de alta polaridad, injertada con anhídrido maleico, su temperatura de fusión es
diferente a la del polietileno solo, este resultado es cercano al reportado en la hoja
técnica de este material que es de 123 °C (Clariant, 2005).
Se tomó en cuenta este parámetro al momento de la dosificación en la extrusora ya
que en la zona de alimentación el material no debe fundir para poder ser arrastrado
eficientemente. Esto condicionó los parámetros de procesamiento del material en
la extrusión al momento de la alimentación, manteniendo una temperatura inferior
a este punto de fusión para garantizar un buen arrastre del agente de acoplamiento,
garantizando la mezcla de todos los componentes en la zona destinada para este
proceso.
81
Figura 3.16 Termograma del agente de acoplamiento
3.1.3.3. Termogravimetría
Por medio del análisis termogravimétrico se determinó la temperatura máxima a la
que se puede someter al agente de acoplamiento es de 411,62 °C como se puede
ver en la Figura 3.17.
En el termograma se aprecian dos pasos:
El primero empieza a una temperatura de 193,70 °C y termina a los 415,88 °C, en
este paso se pierde un 11,98 % del material.
En el segundo paso se pierde la mayor parte del peso 87,32 %, siendo esto un
indicativo del proceso de descomposición térmica que se sufre agente de
acoplamiento, este paso empieza a los 408,72 °C y termina a los 516,81 °C.
El agente de acoplamiento presenta una pérdida de peso a los 193,70 °C, que
indica que el material ha perdido algún componente, que afectara su estructura por
esto se trabajó a una temperatura inferior a esta para precautelar cualquier tipo de
degradación del agente de acoplamiento.
82
Figura 3.17 Termogravimetría del agente de acoplamiento
Al tener caracterizado las tres materias primas y conocer sus temperaturas de
degradación se seleccionó la temperatura máxima del proceso que es de
187,146 °C seleccionada para evitar la degradación del componente lignocelulósico
y la del agente de acoplamiento.
3.2. EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE RECEPCIÓN QUE
PRESENTA EL POLIETILENO RECICLADO AL ADICIONAR
PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS.
3.2.1. MEZCLADO
Las mezclas se realizaron en un reómetro de torque electrónico, dentro de este la
dispersión del material de relleno en la matriz polimérica dependió directamente del
tiempo de mezclado, la velocidad del rotor y de la temperatura, para establecer que
la mezcla esté homogénea se analizó los reogramas que entrega el equipo, para el
83
análisis se tomó los reogramas del polietileno solo, de la mezcla al 5 %, al 15 %, al
45 % de aserrín sin agente de acoplamiento.
En la Figura 3.18 se puede ver que al colocar en el reómetro polietileno la cresta
de carga esta alrededor de 60 Nm, que es el mayor valor obtenido con respecto a
los otros reogramas, este pico de carga dependerá de la cantidad de material que
ingrese al mezclador, de la rapidez con la que se alimente y del cerrado de la
cámara. Este pico de alimentación variará según las condiciones ya mencionadas.
Figura 3.18 Reograma del polietileno reciclado pasado por el reómetro
Al no presentar ninguna carga, el polietileno en el reómetro tiende a llegar a la zona
de estabilidad rápidamente.
En la Figura 3.19 que hace referencia a la mezcla al 5 % de aserrín en la cual se
aprecia que la estabilidad del polietileno solo, se alcanza a los 2,5 min en este
tiempo se aprecia una curva que indica que se abrió la cámara y a continuación
una cresta de carga del aserrín. La estabilidad se alcanza alrededor de los 7 min
con un torque de 5 Nm.
84
Figura 3.19 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %
Se puede ver que el adicionar 5 % de aserrín no representa una variación del torque
significativa, puesto que es el mismo valor que si el polímero estuviera sin aserrín.
En la Figura 3.20 se aprecia que el torque aumenta al momento de adicionar 15 %
de aserrín alcanzando 7 Nm. Esto indica que la cantidad de aserrín introducida
afecta a las propiedades de la mezcla en su flujo de elongación como en su flujo
cortante, se aprecia que la línea en el valle de estabilidad presenta interferencia, no
es continua, esto indica que los rotores registran una resistencia al giro.
Figura 3.20 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %
En la figura 3.21 se muestra la mezcla al 45 % de aserrín, se aprecia en el reograma
que esta dosificación necesita más fuerza en el giro ya que el material presenta
85
mayor dificultad para el mezclado, pues la matriz ya no presenta la fluidez requerida
para soportar al material de relleno, la interferencia en la línea en el valle de
estabilidad es mayor a la del aserrín al 15 %.
Figura 3.21 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %
Los reogramas de las otras dosificaciones tienden a presentar la tendencia de los
reogramas descritos, aumentando el torque y la interferencia de la línea de
estabilidad a medida que aumenta la cantidad de aserrín.
3.2.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES
3.2.2.1. Determinación de la dispersión
Se evaluó características detectables visualmente como la degradación de las
partículas lignocelulósicas, el cambio de color, fijación a la matriz, homogeneidad
en la dispersión del aserrín en la placa.
En la figura 3.22 se observa las placas en orden creciente de la cantidad de aserrín
introducida en la matriz, se aprecia que las partículas lignocelulósicas no presentan
degradación o cambio de color, a medida que la cantidad de aserrín en la matriz
aumenta el color de la mezcla resultante se torna más obscuro debido a la
concentración de las partículas de aserrín, en general gracias al método de
86
procesamiento de la mezcla se obtiene un producto homogéneo, con un mezclado
dispersivo y distributivo eficiente.
Figura 3.22 Placas de las muestras a diferentes concentraciones de aserrín sin adicionar
agente de acoplamiento
En la Figura 3.23 se puede apreciar que no existe una mala distribución, se confirma
que el tipo de mezclado utilizado es eficiente, proporcionando un mezclado
distributivo y dispersivo eficaz, se aprecia que las partículas lignocelulósicas se
encuentran distribuidas uniformemente en toda la probeta en los tres casos.
87
5mm
5mm
Aserrín al 5%
Aserrín al 15 %
Aserrín al 45 %
Figura 3.23 Probetas de las muestras a contra luz en el negatoscopio al 5 %, 15 % y 45 %
de aserrín
3.2.2.2. Ensayos mecánicos
Para cada concentración se realizó el ensayo en 5 probetas los resultados que se
presentan a continuación son el promedio de las mismas.
88
Ensayo de tracción
En la Figura 3.24 se muestran los resultados del esfuerzo al pico y el esfuerzo a la
ruptura.
Para el polietileno sin carga el esfuerzo al pico y el esfuerzo a la ruptura presenta
valores diferentes, esto se debe a la elongación que presenta el polietileno solo,
que determina un valor de carga para el esfuerzo al pico y posterior a esto una zona
plástica en la que se registra el esfuerzo a la ruptura.
ƐĨƵĞƌnjŽĂůƉŝĐŽ;DWĂͿ
ƐĨƵĞƌnjŽĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;DWĂͿ
ϯϱ
ϯϬ
^&hZK΀DW΁
Ϯϱ
ϮϬ
ϭϱ
ϭϬ
ϱ
Ϭ
Ϭ
ϱ
ϭϬ
ϭϱ
ϮϬ
Ϯϱ
ϯϬ
ϯϱ
ϰϬ
ϰϱ
ϱϬ
й΀^ZZ/E΁
Figura 3.24 Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración del aserrín
Al adicionar las partículas lignocelulósicas, el esfuerzo al pico y el esfuerzo a la
ruptura toman el mismo valor, ya que el material se vuelve rígido y ya no existe una
elongación en la zona plástica.
Se aprecia que al adicionar 5 % de aserrín este genera un refuerzo en el polietileno
reciclado e incrementa en un 19,45 % el esfuerzo requerido con respecto al
esfuerzo al pico, a partir de este punto se aprecia una tendencia a disminuir el valor
del esfuerzo.
El objetivo de este análisis es determinar la cantidad de aserrín que se pueda
incorporar a un polietileno reciclado antes de que sus propiedades se vean
89
afectadas críticamente, por esto en la Figura 3.24 se aprecia que el valor de
esfuerzo al pico de la mezcla, que más se acerca al valor del polietileno reciclado
es al 15 % de concentración de aserrín.
En la Figura 3.25 se puede ver que el porcentaje de deformación decrece a medida
que aumenta la concentración de aserrín, se aprecia que para el polietileno la
deformación al pico y a la ruptura son diferentes. La deformación a la ruptura del
polietileno es de 334,5 %, estos valores se encuentran en el Anexo VII.
Figura 3.25 Deformación al pico y deformación a la ruptura versus concentración del
aserrín
Al incorporar aserrín al polietileno este pierde significativamente su capacidad de
deformación esto se asocia a la incompatibilidad de las fases y a la degradación
que presenta el polietileno reciclado al momento de ser sometido al proceso de
mezcla, factores que lo vuelven más rígido. Observaciones similares se han
reportado por Douglas (2004) y Onuegbu (2012).
A medida que se aumenta la concentración del aserrín en la mezcla, la deformación
al pico y la deformación a la ruptura disminuyen, a partir del 30 % de aserrín las
90
propiedades mencionadas tienden a mantenerse constantes sin una variación
significativa.
Los valores de deformación al 5 % y al 10 % no presenta un aumento significativo
entre ambos (Análisis de la desviación estándar), por lo tanto se toman estos dos
valores como la máxima concentración que soporta la matriz antes de que las
propiedades cambien considerablemente, el valor del 15 % de aserrín es el que se
selecciona al ser diferente de los dos primeros, y mostrar una tendencia a disminuir
dicha propiedad de manera más evidente.
En la Figura 3.26 se aprecia como varia el módulo de Young a medida que aumenta
la cantidad de aserrín incorporada. La tendencia que presenta es un incremento del
valor del módulo al adicionar mayor cantidad de aserrín, esto indica un aumento de
la rigidez del material compuesto.
ϴϱϬ
ϴϬϬ
DKh>KDW
ϳϱϬ
ϳϬϬ
ϲϱϬ
ϲϬϬ
ϱϱϬ
LJсϰ͕ϲϴϮϰdžнϱϮϭ͕ϭϯ
ZϸсϬ͕ϴϮϯϱ
ϱϬϬ
ϰϱϬ
ϰϬϬ
Ϭ
ϭϬ
ϮϬ
ϯϬ
ϰϬ
ϱϬ
й΀^ZZ/E΁
Figura 3.26 Módulo de Young versus las diferentes concentración de aserrín
Se aprecia que en el intervalo de 5-10 % de aserrín no existe un incremento
estadísticamente significativo (Análisis de la desviación estándar), al 15 % el valor
del módulo se incrementa, pero en el intervalo de 15-40 % se mantiene
estadísticamente constante, en el último punto al adicionar 45 % de aserrín el
modulo aumenta nuevamente.
91
De esto se puede concluir que el incremento del contenido de aserrín aporta rigidez
al material pero esta rigidez se mantiene en intervalos de concentración cuyos
puntos de inicio están a los 5 %, 15 % 45 % de concentración de aserrín.
Ensayos de flexión
En la Figura 3.27 se observa el límite elástico que presenta el material compuesto
al incrementar su contenido de aserrín. Este parámetro es importante pues indica
el pandeo que podría presentar el material en el servicio final. Se observa que el
contenido de aserrín al 15 % es el valor más alto alcanzado superando al valor del
polietileno solo en un 26,52 % a partir de este punto los valores de desplazamiento
a la cedencia empiezan a disminuir
Se puede ver que el aumento del desplazamiento a la cedencia a la concentración
de 5 % con respecto a la del polietileno solo es del 19,89 %.
Se seleccionó la concentración al 15 % pues se busca la mayor concentración con
propiedades aceptables.
^W>D/EdK΀DD΁
ĞƐƉůĂnjĂŵŝĞŶƚŽĂĐĞĚĞŶĐŝĂ;ŵŵͿ
ϭϭ
ϭϬ
ϵ
ϴ
ϳ
ϲ
ϱ
ϰ
ϯ
Ϯ
Ϭ
ϱ
ϭϬ
ϭϱ
ϮϬ
Ϯϱ
ϯϬ
ϯϱ
ϰϬ
ϰϱ
ϱϬ
KEEdZ/ME^ZZ/Eй
Figura 3.27 Límite elástico versus concentración de aserrín
En la Figura 3.28 se puede ver que el módulo de flexión no varía significativamente
en el intervalo de 5 a 20 % de concentración de aserrín, pasado este intervalo el
92
valor del módulo aumenta. Esto indica un aumento en la rigidez del material pues
el aserrín actúa como relleno haciendo más rígido al material compuesto.
DŽĚƵůŽ;DWĂͿ
>ŝŶĞĂů;DŽĚƵůŽ;DWĂͿͿ
DKh>K&>y/KEDW
ϮϱϬϬ
ϮϬϬϬ
ϭϱϬϬ
ϭϬϬϬ
ϱϬϬ
LJсϰϬ͕Ϭϳdžнϲϰ͕ϰϳϰ
ZϸсϬ͕ϳϮϯϵ
Ϭ
Ϭ
ϱ
ϭϬ
ϭϱ
ϮϬ
Ϯϱ
ϯϬ
ϯϱ
ϰϬ
ϰϱ
ϱϬ
KEEdZ/ME^ZZ/E΀й΁
Figura 3.28 Módulo de flexión versus las diferentes concentración de aserrín
Se comparó las propiedades del material obtenido con las del polietileno solo, la
mezcla que presentó las mejores propiedades con la mayor concentración de
partículas lignocelulósicas incorporadas fue la que contenía el 15 % de aserrín.
3.3. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL AGENTE DE
ACOPLAMIENTO.
3.3.1. MEZCLADO
En la Figura 3.29 se puede ver el momento en el que se adiciona el agente de
acoplamiento al tiempo 4.5, el ingreso del mismo no representa una variación
significativa en el torque del polietileno solo. Al adicionar el aserrín al 15 % se vuelve
a alcanzar un torque de 7 Nm pero con una línea más uniforme en el valle de
estabilidad indicando una mayor fluidez del material.
93
Figura 3.29 Reograma de la mezcla polietileno - aserrín al 15 % con agente de
acoplamiento al 1 %
Con respecto al reograma al 15 % de la Figura 3.20 donde no se utiliza el agente
de acoplamiento, se puede ver que el torque después de agregar el agente de
acoplamiento y el aserrín es el mismo, la interferencia en la línea del valle de
estabilidad disminuye con el uso del agente de acoplamiento.
3.3.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES
3.3.2.1. Determinación de la dispersión
En la Figura 3.30 se aprecian las muestras del material compuesto al 15 % de
aserrín variando la concentración del agente de acoplamiento del 0,5 al 5 %, se
puede ver que el color de las placas es uniforme puesto que la cantidad de aserrín
es constante en la composición, el mezclado distributivo y dispersivo es eficiente
debido al mezclador utilizado ya que no se ven zonas en las que el material
polimérico no se encuentre cubriendo al aserrín, la cantidad de agente de
acoplamiento adicionada no afectó las propiedades visuales del material.
94
Figura 3.30 Placas de las muestras de polietileno - aserrín al 15 % con agente de
acoplamiento en concentraciones del 0,5 – 5 %.
En la Figura 3.31 se observa que el mezclado distributivo y dispersivo es eficiente,
se aprecia que las partículas lignocelulósicas se encuentran distribuidas
uniformemente en toda la probeta.
5mm
Aserrín al 15 % , 1 % agente de
acoplamiento
Figura 3.31 Probeta al 15 % de aserrín con 1 % de agente de acoplamiento a contraluz en
el negatoscopio.
95
3.3.2.2 Ensayos mecánicos
Ensayos de tracción
En la Figura 3.32 se puede apreciar como varía el esfuerzo al pico y a la ruptura
del material compuesto, estos dos presentan los mismos valores para cada
concentración.
Al adicionar el agente de acoplamiento, existe una tendencia a aumentar el
esfuerzo hasta llegar al 1 % después de esto las propiedades caen, según Leu
(2011) esto se debe a el exceso de agente que en lugar de favorecer el enlace
entre las moléculas de polietileno y aserrín, genera interferencias, que impiden la
formación de los enlaces.
ƐĨƵĞƌnjŽĂůƉŝĐŽ;DWĂͿ
ƐĨƵĞƌnjŽĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;DWĂͿ
^&hZK;DWͿ
ϯϬ
Ϯϱ
ϮϬ
ϭϱ
ϭϬ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
й΀'EdKW>D/EdK΁
Figura 3.32 Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración de agente de
acoplamiento
En la Figura 3.33 se muestra el comportamiento del porcentaje de deformación al
incrementar la cantidad de agente de acoplamiento, se aprecia que al 1 % existe la
mayor deformación superando a la mezcla sin agente de acoplamiento en un
25,42 % después de esto la deformación decrece. El incremento de la deformación
es un indicativo de que la interacción entre el polietileno–agente de acoplamiento-
96
aserrín, se está dando y esto permite que el material compuesto aumente su
porcentaje de deformación.
ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶĂůƉŝĐŽ;йͿ
ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;йͿ
&KZD/ME;йͿ
ϳ
ϲ
ϱ
ϰ
ϯ
Ϯ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
й΀'EdKW>D/EdK΁
Figura 3.33 Deformación al pico y a la ruptura versus concentración de agente de
acoplamiento
El aumento en el módulo de Young es un indicativo del aumento de la rigidez del
material en la Figura 3.34 se puede ver que los valores del módulo de Young no
presentan un incremento estadísticamente significativo (Análisis de la desviación
estándar), hasta alcanzar un valor de 1,5 % de agente, al 2 % este valor cae
indicando que el material tiende a ser menos rígido; esto según Leu (2011) se debe
a que en determinadas concentraciones el agente de acoplamiento deja de
favorecer la formación de los enlaces entre el polietileno y el aserrín, empezando a
actuar como lubricante dentro de la mezcla.
DŽĚƵůŽĚĞzŽƵŶŐ;DWĂͿ
ϵϬϬ
;DWͿ
ϴϬϬ
ϳϬϬ
ϲϬϬ
ϱϬϬ
ϰϬϬ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
й΀'EdKW>D/EdK΁
Figura 3.34 Modulo de Young versus concentración de agente de acoplamiento
97
Ensayos de flexión
En la Figura 3.35 se observa el límite elástico que presenta el material compuesto
manteniendo constante el 15 % de aserrín; variando la cantidad de agente de
acoplamiento. Se observa que el contenido de agente al 1 % y al 2 % presentan
valores cercanos y mayores a los de las otras concentraciones, en este caso el
valor que se tomará será el porcentaje menor puesto que el agente de acoplamiento
es el limitante por costos y al presentar iguales propiedades tanto al 1 % como al
2 %, el colocar más agente de acoplamiento representa un desperdicio pues se
obtiene el mismo resultado.
ĞƐƉůĂnjĂŵŝĞŶƚŽĂĐĞĚĞŶĐŝĂ;ŵŵͿ
ϭϯ͕ϬϬϬ
^W>D/EdK΀DD΁
ϭϮ͕ϬϬϬ
ϭϭ͕ϰϴϮ
ϭϭ͕ϬϬϬ
ϭϭ͕ϰϱϴ
ϭϬ͕ϳϬϳ
ϭϬ͕ϬϬϬ
ϵ͕ϱϰϱ
ϵ͕ϬϬϬ
ϴ͕ϴϬϯ
ϴ͕ϳϱϮ
ϴ͕ϰϴϳ
ϴ͕ϬϬϬ
ϳ͕ϬϬϬ
ϲ͕ϬϬϬ
Ϭ
Ϭ͕ϱ
ϭ
ϭ͕ϱ
Ϯ
Ϯ͕ϱ
ϯ
ϯ͕ϱ
ϰ
ϰ͕ϱ
ϱ
ϱ͕ϱ
KEEdZ/ME'EdKW>D/EdKй
Figura 3.35 Límite elástico versus concentración del agente de acoplamiento
En la Figura 3.36 se puede ver que el módulo de flexión aumenta al adicionar
0,5 % de agente, con respecto a la muestra que no lo contiene, a partir de esto se
observa una disminución del módulo de flexión para mantenerse con valores que
no difieren en el intervalo de 1 a 2 % de agente, esto refleja la acción del agente de
acoplamiento actuando como lubricante disminuyendo la rigidez del material,
pasado este intervalo el valor del módulo aumenta, esto indica un aumento en la
98
rigidez, el agente actúa como relleno haciendo más rígido al material compuesto
(Klyosov, 2007, p. 168).
DŽĚƵůŽ;DWĂͿ
DKh>K&>y/KEDW
ϭϰϬϬ
ϭϮϬϬ
ϭϬϬϬ
ϴϬϬ
ϲϬϬ
ϰϬϬ
ϮϬϬ
Ϭ
Ϭ͕ϱ
ϭ
ϭ͕ϱ
Ϯ
Ϯ͕ϱ
ϯ
ϯ͕ϱ
ϰ
ϰ͕ϱ
ϱ
ϱ͕ϱ
KEEdZ/ME'EdKW>D/EdK΀й΁
Figura 3.36 Modulo de Young de la mezcla a una concentración del 15 % de aserrín
variando el contenido de agente de acoplamiento
Con los resultados de las diferentes mezclas se evaluó la variación de las distintas
propiedades y se determinó que el porcentaje de agente de acoplamiento que ha
permitido un aumento en las propiedades mecánicas del material es al 1% ya que
antes de este valor el agente no presenta una mejora significativa de las
propiedades, Leu (2011) sugiere que en cierto punto el agente de acoplamiento
deja de cumplir su función pasando a actuar como lubricante y posterior a esto
como una carga que compromete las propiedades del material compuesto.
3.4. ACTIVACIÓN DEL ASERRÍN
Para favorecer la unión aserrín - agente de acoplamiento - polietileno se realizó la
activación del aserrín por el método alcalino sugerido por Cui (2008). En la Tabla
3.6 se observa los valores de la mezcla al activar el aserrín y los valores de la
mezcla sin el aserrín activado.
99
Tabla 3.6 Valores del ensayo de tracción realizado a la mezcla al 15 % de aserrín activado
con 1 % de agente de acoplamiento.
Agente de acoplamiento al 1 %
Aserrín sin activar
Aserrín activado
5,96 + 0,563
5,73 + 0,77
5,96 + 0,563
5,73 + 0,77
27,31 + 0,993
27,25 + 1,15
27,31 + 0,993
27,25 + 1,15
673,86 + 25,334
669,74 + 61,04
Deformación al
pico
(%)
Deformación a
la ruptura
(%)
Esfuerzo al pico
(MPa)
Esfuerzo a la
ruptura
(MPa)
Módulo de
Young (MPa)
Se puede ver que la activación por el método alcalino no representa una mejora
significativa en las propiedades del material compuesto formulado.
3.5. ENSAYOS DE DUREZA Y DENSIDAD DE LOS MATERIALES
FINALES OBTENIDOS
3.5.1. ENSAYOS DE DUREZA
El ensayo de dureza se realizó a las muestras finales, es decir, a las que contienen
15 % de aserrín sin agente de acoplamiento y 15 % de aserrín con agente de
acoplamiento al 1 %, para comparar la dureza que presentan con la del polietileno
reciclado.
Se puede ver en la Tabla 3.7 que la dureza del material compuesto es mayor que
la del polietileno reciclado, esto se debe a la adición del aserrín como refuerzo que
confiere al material mayor dureza superficial.
100
Tabla 3.7 Valores de dureza del polietileno reciclado y de las mezclas finales.
Dureza Shore D
Polietileno de alta densidad
reciclado
Material compuesto 15 %
aserrín
61,5 + 1,08
66,2 + 1,68
Material compuesto 15 %
aserrín 1% agente de
66,6 + 1,17
acoplamiento
Se aprecia también que la adición del agente de acoplamiento no afecta la dureza
del material, ya que los valores de dureza del material compuesto al 15 % de aserrín
con agente de acoplamiento y sin agente de acoplamiento presenta valores
cercanos.
3.5.2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL MATERIAL COMPUESTO
FINAL
En la Tabla 3.8 se aprecia la densidad de la dosificación seleccionada, que posee
15 % de aserrín y 1 % de agente de acoplamiento, junto con la del polietileno de
alta densidad reciclado.
La densidad del material compuesto está influenciada por el tamaño de partícula,
la cantidad que se adiciona del material de refuerzo y por el agente de
acoplamiento, según Oksman (2008) el aumento de la densidad del material
compuesto respecto a la del polietileno reciclado se debe a la dispersión eficiente
de las partículas en la matriz, esto genera que las partículas del material
lignocelulósico estén cubiertas por el polietileno ocasionando el aumento de la
densidad.
101
Tabla 3.8 Densidad del material compuesto según la norma ASTM D792 – 08 con agua
destilada como liquido de inmersión
Mezcla
Polietileno de alta
densidad reciclado
Densidad
Temperatura
[g/cm3]
[°C]
1,0086 + 0,0027
19
0,9558 + 0,0103
20
3.5.3. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE DEL MATERIAL
COMPUESTO FINAL
Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.9 podemos ver que es el 43%
de la densidad real; según Beltrán y Marcilla (2012) esto indica que el material no
dará problemas en la dosificación al alimentarse en la tolva.
Tabla 3.9 Densidad aparente del material compuesto según la norma ASTM D1895-96
Peso
Volumen
Densidad
(g)
(cm3)
(g/cm3)
28,36
54
0,52
26,73
50
0,53
29,31
54
0,54
28,71
53
0,54
29,1
54
0,53
27,79
52
0,53
29,4
54
0,54
28,37
53
0,53
Densidad promedio
(g/cm3)
Desviación estándar
0,53
0,006
102
3.6. DISEÑO DE UNA PLANTA A ESCALA PILOTO DE GRANZA DE
MADERA PLÁSTICA.
3.6.1. INGENIERÍA CONCEPTUAL
3.6.1.1. Definición del producto
Para el diseño de la planta piloto de madera plástica se estimó una producción
diaria de 20 sacos de 25 kg de granza de material compuesto, la composición del
material producido se indica en la Tabla 3.10.
Tabla 3.10 Porcentaje de los componentes del WPC producido
Material
Porcentaje
Harina de madera < 100 µm
15 %
Agente de acoplamiento PE MA 4153
1%
Polietileno de alta densidad reciclado
84 %
Inicialmente solo se ha considerado el procesamiento de una sola dosificación, en
el futuro la planta podría incrementar su producción de material y empezar a fabricar
madera plástica en diferentes dosificaciones según la aplicación que se quiera dar
al material.
3.6.1.2. Campo de aplicación
El producto obtenido podrá ser usado en:
•
Perfiles extruidos
•
Recubrimiento de superficies
103
3.6.1.3. Capacidad y localización
Según los datos del informe mensual de La empresa pública metropolita de gestión
integral de residuos sólidos EMGIRS-EP (2014), la zona norte del Distrito
metropolitano de Quito, genera en promedio de 1 015,72 t de basura al día que se
recolectan en la estación de transferencia Norte, en octubre el 2013 EMGIRS-EP
realizó una “Consultoría para la caracterización de residuos sólidos urbanos
receptados en las estaciones de transferencia norte y sur del distrito metropolitano
de Quito” de este informe se conoce que el 15,5 % de los residuos son plásticos
que se reciclan en un 12 %, de esto el 2,424 % es plástico de alta densidad a partir
de esta información se seleccionó la capacidad de producción de la planta a escala
piloto de 0,5 t/día de madera plástica cuya composición se indica en la Tabla 3.11,
los cálculos se adjuntan en el Anexo IV.
Tabla 3.11 Composición de la madera plástica producida.
Componente
Porcentaje
Polietileno de alta
densidad
84 %
reciclado
Aserrín
15 %
Agente de
acoplamiento
1%
(Licocene®)
Total
100 %
Como se observa en la Figura 3.37 la planta se ubica en el sector de la Cristiania
en la calle de los Aceitunos, a 300 m de la avenida Eloy Alfaro, este lugar ha sido
escogido debido a la cercanía con la Estación de Transferencia Norte de residuos,
que será el principal proveedor de material reciclado y a Consertec que es una
empresa que produce muebles de madera a gran escala que será uno de los
proveedores del aserrín que se utilizará. El terreno tiene una clasificación I-3 según
104
la ordenanza de zonificación 0031 del Distrito Metropolitano de Quito esta
clasificación lo cataloga como terreno industrial de alto impacto.
Figura 3.37 Ubicación de la planta piloto de granza de madera plástica (Google, 2014)
El terreno cuenta con 1 500 m2, cuenta con servicios básicos industriales, agua,
luz, teléfono e internet. Las vías de acceso son buenas por encontrarse dentro del
Distrito Metropolitano, esta zona es catalogada como industrial y a pocos metros
de la Av. Eloy Alfaro, es de fácil acceso a proveedores de materia prima y
trabajadores.
3.6.2. INGENIERÍA BÁSICA
3.6.2.1. Selección del proceso de mezcla
Para la selección del proceso tecnológico se tomó en cuenta la caracterización de
las materias primas, que permitió determinar los pasos a seguir en el proceso. Los
parámetros más importantes fueron:
•
El tamaño de partícula del aserrín: menor a 140 µm, al tener un D80 del aserrín
de 595 µm, se determinó un proceso de molienda para obtener el tamaño de
partícula requerido.
105
•
La humedad del aserrín: debe ser menor al 1%, el aserrín con el que se trabaja
posee 6,94 % de humedad, requiriendo un proceso de secado.
•
Temperatura máxima de procesamiento de la mezcla de 180 °C, para evitar
degradación en el material lignocelulósico.
•
Se dosificará el polietileno con el agente de acoplamiento en una primera
instancia, posterior a esto se mezclará el aserrín con la unión del polietilenoagente de acoplamiento, para mejorar la unión y la dispersión debido a la
diferencia de índice de fluidez que presenta el agente de acoplamiento y el
polietileno.
En la Figura 3.38 se describe el proceso de mezcla que se llevará a cabo para la
obtención de la mezcla.
Figura 3.38 Diagrama del proceso de mezcla de las materias primas de la madera plástica
106
3.6.2.2. Descripción del proceso
La planta de producción de madera plástica operará de manera continua,
manteniendo la dosificación de los componentes constante durante todo el proceso.
El proceso empezará con la recepción de las materias primas:
•
Polietileno de alta densidad reciclado en forma de pellets
•
Agente de acoplamiento
•
Aserrín
La primera parte del proceso se realizará en la extrusora EX – 201, en la cual se
alimentará de forma manual el polietileno, en la tolva T – 101 y el agente de
acoplamiento en la tolva T -102 las dos corrientes seran transportadas por los
husillos corrotantes para ser fundidas y mezcladas.
De la extrusora EX – 201 se obtendrá cuatro perfiles extruidos tipo tallarín de la
mezcla polietileno-agente de acoplamiento, que ingresan en el tanque de
enfriamiento TE-202 del cual pasaran al secador de aire SE-203 y posterior a esto
al peletizador PE-204.
El material peletizado (polietileno-agente de acoplamiento) será transportado de
manera manual a la tolva T-104.
Paralelo a lo anterior, se ingresará el aserrín al molino M-301 donde se reducirá su
tamaño hasta 148 µm para luego ser secado en el secador rotatorio SER-302 hasta
alcanzar una humedad menor al 1 %.
El aserrín será alimentado manualmente a la tolva T-105 para continuar con el
proceso de mezcla del polietileno-agente de acoplamiento y del aserrín en la
extrusora EX – 501, las dos corrientes serán transportadas por los husillos
corrotantes para ser fundidas y mezcladas.
De la extrusora EX – 501 se obtendrá cuatro perfiles extruidos tipo tallarín de la
mezcla polietileno-agente de acoplamiento-aserrín, que ingresan en el tanque de
enfriamiento TE-502 del cual pasarán al secador de aire SE-503 y posterior a esto
al peletizador PE-504, el material peletizado será alimentado a una banda
transportadora para ser dosificados en la ensacadora semimanual BP-505 en sacos
de 25 kg que serán almacenados en la bodega de producto terminado para su
comercialización.
107
3.6.2.3. Flujos másicos de las materias primas
Los flujos másicos del polietileno de alta densidad reciclado, del aserrín, y del
agente de acoplamiento se adjuntan en el Anexo IV junto con los cálculos
realizados. En la tabla 3.12 se aprecian los valores de flujos másicos en el proceso.
Tabla 3.12 Flujos másicos del polietileno de alta densidad, aserrín, agente de acoplamiento
Flujo másico
Componente
[t/día]
[ kg/día]
[ kg/h]
0,420
420
17,500
0,075
75
3,125
0,005
5
0,208
0,500
500
20,833
Polietileno de
alta densidad
reciclado
Aserrín
Agente de
acoplamiento
(Licocene®)
Total
En la Tabla 3.13 se indica la cantidad de agua que se eliminará del proceso de
secado del aserrín.
108
Tabla 3.13 Flujo másico del agua que sale del secador
Cantidad de agua
l/h
l/día
que sale del secador 0,2168 5,2032
3.6.2.4. Consumo energético de la planta
En la tabla 3.14 se presentan los equipos que se utilizaran en la planta con su
respectivo gasto energético.
Tabla 3.14 Consumo energético de los equipos utilizados en la planta
Horas de
Potencia
funcionamiento
demandada
(h/día)
(kw)
4
24
0,75
2
24
18,3
2
24
45
2
24
0,55
Sistema de vacío
2
24
1,5
Secador de aire
2
24
1,1
Peletizador
2
24
4
Secador rotatorio
1
24
1,5
Molino
1
24
0,75
1
24
3,9
Total día
77,35
Total mes
2320,5
Equipo
Tolvas
Motor del husillo
extrusoras
Calentamiento
extrusoras
Bomba de
enfriamiento
Banda de pesaje
(ensacadora)
Cantidad
Los equipos no trabajarán al 100 % de su capacidad, por lo tanto se debe considerar
un factor de corrección del 0,6 con un tiempo de funcionamiento de
24 h.
109
3.6.2.5. Diagramas PFD y BFD
En las figuras 3.39 y 3.40 se muestran los diagramas de bloque (BFD) y de flujo
(PFD) para la producción de 20,83 kg/h de madera plástica proveniente de
polietileno de alta densidad reciclado.
Paginas:
BFD
1 DE1
Figura 3.39 Diagrama de bloques del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicas
13 DE AGOSTO DEL 2015
Fecha:
MARÍA VERÓNICA JARA SALME
Elaborado Por:
LÍNEA DE PRODUCCIÓN
PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS (ASERRÍN)”
DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE POLIETILENO RECICLADO CON
“DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE GRANZA
Nombre del Proyecto:
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
BFD PLANTA DE MADERA PLÁSTICA
110
(B
(B
(;
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
7(
PFD
SALME
6(
(B
3(
(;
7
6(5
0
7(
7
6(
3(
%3
0DGHUDSOiVWLFD
111
Figura 3.40 Diagrama de Flujo del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
13 DE AGOSTO DEL 2015
Fecha:
1 DE 1
Paginas:
MARÍA VERÓNICA JARA
Elaborado Por:
LÍNEA DE PRODUCCIÓN
LIGNOCELULÓSICAS (ASERRÍN)”
POLIETILENO RECICLADO CON PARTÍCULAS
GRANZA DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE
“DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE
Nombre del Proyecto:
$6(55Ë1
PFD PLANTA DE MADERA PLÁSTICA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
3($'5
$JHQWHGH
DFRSODPLHQWR
Figura 3.41 Plano de distribución Lay Out de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
112
Figura 3.42 Corte frontal y transversal de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
113
114
En la tabla 3.15 se aprecian los equipos utilizados en la planta piloto de producción
de madera plástica con su respectiva nomenclatura.
Tabla 3.15 Nomenclatura de los equipos utilizados en la planta piloto de producción de
madera plástica
Equipo
Código
Tolva con PEADR
T-101
Tolva con agente de acoplamiento
T-102
Tolva con aserrín
T-103
Molino de cuchillas
M-301
Secador de aserrín
SER-302
Extrusora
polietileno–agente de acoplamiento
EX-201
Baño de enfriamiento
TE-202
Soplador de aire
SE-203
Peletizadora
PE-204
Tolva polietileno-agente de acoplamiento
T-104
Tolva aserrín seco
T-105
Extrusora mezcla final
EX-501
Baño de enfriamiento mezcla final
TE-502
Soplador de aire mezcla final
SE-503
Peletizadora mezcla final
PE-504
Banda de pesaje
BP-505
3.6.2.6. Dimensionamiento y selección de equipos
3.6.2.6.1. Extrusor
El extrusor es el núcleo de la planta, por esto el proceso de selección es importante
pues de este dependerá la producción de la planta. En una extrusora de doble
husillo la selección se basa en el valor del intereje que es la distancia entre centro
a centro de los husillos (Ramos, 2002, p. 144) ya que de este dependerá el
115
engranaje de los dos husillos. En la tabla 3.16 se muestran las características del
extrusor seleccionado para la mezcla los cálculos realizados se encuentran en el
Anexo IV.
Tabla 3.16 Parámetros del extrusor para el procesamiento del WPC a partir de polietileno
reciclado
Parámetro
Valor calculado
Diámetro externo del husillo D [mm]
35
Diámetro interno del husillo d [mm]
31,5
Intereje I [mm]
33,25
Relación L/D
42
Relación de compresión Rc
3
La planta utilizará dos extrusoras que poseen los mismos parámetros, para el
proceso de mezclado del agente de acoplamiento como para la adición del aserrín.
Para la determinación del diámetro se utilizó el método de prueba y error dando
varios valores de diámetros dentro del rango especificado por Naranjo (2002) para
dimensionamiento de extrusores. La extrusora que se requiere para el
procesamiento del WPC es a escala piloto, es una extrusora pequeña por lo tanto,
conociendo que el diámetro se relaciona de manera inversamente proporcional con
el número de revoluciones del husillo, al aumentar el valor del diámetro disminuye
la cantidad de revoluciones, esto genera un aumento en el tamaño del equipo,
mientras que si se disminuye el tamaño del husillo, el número de revoluciones
aumenta sobrepasando los rangos típicos de un extrusor de las características
requeridas, por la tanto la elección del diámetro equipo se centró en los valores de
30 y 35 mm seleccionando el valor de 35 mm pues este valor es cercano a las
características de la extrusora usada en el proceso experimental de obtención de
la madera plástica en el laboratorio y selección del perfil de temperatura.
La selección del ángulo del filete se lo realizo bibliográficamente pues según
Morales (2010) y Morton (2003) el ángulo del filete para una extrusora de doble
husillo se mantiene alrededor de 10 °.
116
Figura 3.43 Esquema del husillo con el que se determinó los parámetros de selección
(Morales Méndez, 2010, p. 247)
Las características geométricas del husillo seleccionadas se encuentran dentro de
los parámetros sugeridos por Naranjo (2002).
3.6.2.6.2. Evaluación de los parámetros de procesamiento
Para establecer las condiciones de procesamiento, se realizaron varias pruebas en
la extrusora de doble husillo marca Jiangsu Xinda Science & Technology modelo
CLAMSHELL PSHJ-35 calibrando las condiciones de la extrusora, a continuación
se presentan los resultados obtenidos:
•
Curvas de calibración:
Para la dosificación del aserrín, polietileno y agente de acoplamiento se
construyeron curvas de calibración de la tolva principal y de la secundaria, en la
tolva principal se dosificó el polietileno mientras que en la secundaria se dosificó el
agente de acoplamiento y el aserrín por separado, según la mezcla que se estaba
realizando.
En la Figura 3.44 se puede observar la curva de dosificación del polietileno
reciclado para un rango de velocidad de dosificación de la tolva principal de 1-6 Hz,
117
obteniendo que con la velocidad de 1 Hz se dosifica 0,937 kg/h y con 6 Hz se
dosifica 6,151 kg/h, el requerimiento de dosificación del polietileno es de 17,5 kg/h
para determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad de polietileno se debe
realizar una extrapolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que
se requiere 20,47 Hz para la dosificación del polietileno reciclado. No se realizaron
pruebas con estos valores debido a la cantidad limitada de materias primas
disponibles para este estudio.
ϳ͕ϬϬ
ϲ͕ϭϱ
&>h:KD^/K΀<'ͬ,΁
ϲ͕ϬϬ
ϱ͕ϯϳ
ϱ͕ϬϬ
ϰ͕Ϯϴ
ϰ͕ϬϬ
ϯ͕ϭϬ
ϯ͕ϬϬ
LJсϭ͕ϬϲϯϲdžͲ Ϭ͕Ϭϳϲϳ
ZϸсϬ͕ϵϵϳϯ
Ϯ͕Ϭϰ
Ϯ͕ϬϬ
ϭ͕ϬϬ
Ϭ͕ϵϰ
Ϭ͕ϬϬ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
ϳ
s>K/΀,΁
Figura 3.44 Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para el
polietileno de alta densidad reciclado
En la Figura 3.45 se puede observar la curva de dosificación del agente de
acoplamiento para un rango de velocidad de dosificación de la tolva secundaria de
0,1-1 Hz, obteniendo que con la velocidad de 0,1 Hz se dosifica 0,019 kg/h y con 1
Hz se dosifica 1,135 kg/h, el requerimiento de dosificación es de 0,208 kg/h para
determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad se debe realizar una
interpolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que se requiere
0,292 Hz para la dosificación del agente de acoplamiento.
118
ϭ͕ϮϬ
ϭ͕ϭϰ
&>h:KD^/K΀<'ͬ,΁
ϭ͕ϬϬ
Ϭ͕ϴϬ
Ϭ͕ϲϬ
Ϭ͕ϰϳ
Ϭ͕ϰϬ
Ϭ͕ϯϯ
LJсϭ͕ϮϳϯϮdžͲ Ϭ͕ϭϱϲϭ
ZϸсϬ͕ϵϵϱϯ
Ϭ͕ϮϮ
Ϭ͕ϮϬ
Ϭ͕ϬϬ
Ϭ
Ϭ͕ϬϮ
Ϭ͕ϭ Ϭ͕Ϯ
Ϭ͕Ϭϴ
Ϭ͕ϯ
Ϭ͕ϰ
ͲϬ͕ϮϬ
Ϭ͕ϱ
Ϭ͕ϲ
Ϭ͕ϳ
Ϭ͕ϴ
Ϭ͕ϵ
ϭ
ϭ͕ϭ
s>K/΀,΁
Figura 3.45 Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el
agente de acoplamiento
En la Figura 3.46 se observar la curva de dosificación de la mezcla polietileno agente de acoplamiento para un rango de velocidad de dosificación de la tolva
principal de 1-5 Hz, el requerimiento de dosificación es de 17,708 kg/h para
determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad se debe realizar una
interpolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que se requiere
15,774 Hz para la dosificación de la mezcla polietileno - agente de acoplamiento.
ϳ͕ϬϬ
ϲ͕ϱϲ
&>h:KD^/K΀<'ͬ,΁
ϲ͕ϬϬ
ϱ͕ϰϭ
ϱ͕ϬϬ
ϰ͕ϬϬ
ϯ͕ϵϯ
ϯ͕ϬϬ
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Ϯ͕ϬϬ
LJсϭ͕ϯϰϬϰdžͲ Ϭ͕Ϭϲϵ
ZϸсϬ͕ϵϵϴϴ
ϭ͕Ϯϲ
ϭ͕ϬϬ
Ϭ͕ϬϬ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
s>K/΀,΁
Figura 3.46 Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para la
mezcla polietileno reciclado con agente de acoplamiento.
119
En la Figura 3.47 se puede observar la curva de dosificación del aserrín para un
rango de velocidad de dosificación de la tolva secundaria de 0,5-6 Hz, el
requerimiento de dosificación es de 3,125 kg/h para determinar la velocidad de
dosificación de esta cantidad se debe realizar una extrapolación, requiriéndose 0,45
Hz para la dosificación del aserrín.
ϲϬ
ϱϯ͕Ϯϵϱ
&>h:KD^/K΀'ZͬD/E΁
ϱϬ
ϰϬ
ϯϱ͕ϲϯ
ϯϬ
ϮϬ
ϭϳ͕ϱϰϮϱ
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LJсϵ͕ϬϭϲϱdžͲ Ϭ͕ϲϯϭ
ZϸсϬ͕ϵϵϵϵ
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ϯ͕ϲ
Ϭ
Ϭ
ϭ
Ϯ
ϯ
ϰ
ϱ
ϲ
ϳ
s>K/΀,΁
Figura 3.47 Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el
aserrín
Para cada material el rango de velocidades de la tolva fue diferente puesto que las
densidades y tamaños de partícula eran diferentes en los 3 casos.
Perfil de temperaturas
Se realizaron pruebas en la extrusora, para establecer un perfil de temperaturas de
procesamiento de las dos mezclas, las temperaturas se determinaron para las 7
zonas de calentamiento de la extrusora.
Para la mezcla polietileno-agente de acoplamiento se determinó que la temperatura
de la zona de alimentación debe ser menor de 120 °C puesto que el agente de
acoplamiento sobre esta temperatura funde e impide el proceso de arrastre a la
siguiente zona, generando problemas en la mezcla y en la dosificación, el resto de
temperaturas se mantuvieron iguales para los dos procesos la temperatura máxima
120
de procesamiento se fijó en 180°C puesto que permitía una salida fluida del material
facilitando el proceso de enfriamiento, secado y peletizado.
En la Figura 3.48 se aprecian los perfiles de temperaturas que se fijaron en la
extrusora para los dos procesos. En el proceso de mezcla del polietileno – agente
de acoplamiento con el aserrín la temperatura de alimentación fue de 125 °C ya
que la temperatura de fusión de la mezcla es mayor y no se presentan problemas
en el arrastre del material.
Figura 3.48 Perfil de temperaturas por zonas del husillo
Calibración de la extrusora
Para determinar la cantidad de material que sale del extrusor a determinada
velocidad se midió la cantidad de material que sale del peletizador en un
determinado tiempo, adicional a esto se midió el tiempo de residencia del material
dentro del extrusor, en la Figura 3.49 se puede observar que para una velocidad
baja del husillo el tiempo de residencia es muy prolongado, esto genera
degradación en el material, a medida que la velocidad aumenta el tiempo de
residencia disminuye y se puede apreciar que desde 2,6 Hz la variación de los
tiempos de residencia es mínima y la cantidad de material obtenido aumenta.
121
La cantidad que se requiere procesar de la mezcla polietileno-agente de
acoplamiento es de 17,708 Kg/h para obtener la velocidad del husillo se debe
realizar una extrapolación y la velocidad en esta extrusora seria de 10,06 Hz.
WK>/d/>EK'Ed
KW>D/EdK
d/DWK΀D/E΁
D^΀<'ͬ,΁
ϮϬ
D^
W>d/KZ
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d/DWK
Z^/E/
,h^/>>K
ϭϬ
ϱ
Ϭ
Ϭ͕ϱ
ϭ
ϭ͕ϱ
Ϯ͕ϲ
ϯ͕ϭ
ϯ͕ϲ
,
Figura 3.49 Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla polietileno
agente de acoplamiento obtenida
En la Figura 3.50 se presentan los valores de masa y tiempo de residencia para la
mezcla final en este caso se observa que existe un tiempo de residencia mayor que
el que presenta la mezcla de polietileno-agente de acoplamiento, esto se debe a la
densidad que presenta el aserrín, que dificulta el avance en la mezcla final. La
cantidad que se requiere procesar es de 20,833 kg/h según la extrapolación
realizada la velocidad del husillo debería estar en 9,86 Hz
122
WK>/d/>EK'Ed
KW>D/EdK^ZZ/E
d/DWK΀D/E΁
D^΀<'ͬ,
Ϯϱ
D^
W>d/KZ
ϮϬ
ϭϱ
ϭϬ
d/DWK
Z^/E/
,h^/>>K
ϱ
Ϭ
Ϭ͕ϱ
ϭ͕ϱ
Ϯ͕ϴ
ϯ͕ϰ
ϰ
,
Figura 3.50 Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla final obtenida
3.7. DETERMINACIÓN LA INVERSIÓN ECONÓMICA REQUERIDA.
3.7.1. COSTOS DE MATERIA PRIMA
En la Tabla 3.17 se muestran los precios referenciales de las materias primas que
se van a utilizar.
Tabla 3.17 Precios referenciales de las materias primas utilizadas.
Materia prima Pecio ($/kg)
PEADr
0,75
Licocene®
11,50
Aserrín
-
Se debe tomar en cuenta que las materias primas son recicladas y no se puede
tener un precio oficial ya que su reciclaje en el País es informal, en base a proformas
y precios cotizados del mercado nacional e internacional, el valor del kg de
polietileno reciclado fluctúa entre $ 0,55 – 0,75 en el Anexo VIII podemos ver las
cotización del material.
El Licocene® es un material importado que se debe comprar por toneladas.
123
El aserrín es un desecho en las industrias maderera.
3.7.2. COSTOS DE EQUIPOS Y SERVICIOS AUXILIARES
Los costos de los equipos se obtuvieron de las proformas de los proveedores
consultados.
En la Tabla 3.18 se detallan los precios de los equipos, y el precio total en
maquinaria que se requiere para la implementación de la planta.
Tabla 3.18 Precios de los equipos requeridos para la planta de la planta piloto de madera
plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos
Costo
Equipos
Cantidad
unitario
($)
Costo total
($)
Tolvas
Extrusora
Línea de
Bomba de
extrusión
enfriamiento
2
68 200
136 400
Secador rotatorio
1
5 902
5 902
Molino
1
3 650
3 650
Banda de pesaje (ensacadora)
1
4 500
4 500
Secador de aire
Pelletizador
Costo total
($)
150 452
124
3.7.3. GASTOS SERVICIOS BÁSICOS
En la tabla 3.19 se puede ver que el costo mensual de consumo eléctrico es alto,
esto se debe a la operación de la planta durante 24 h, este consumo categoriza a
la planta en el grupo G5 de consumo según la Empresa Eléctrica Quito, en contraste
a esto se puede ver que el consumo de agua es mínimo debido a que el agua se
reutiliza en el transcurso del proceso, ya que no existe necesidad de cambiarla
diariamente.
Tabla 3.19 Costos de consumo de luz y agua para la planta
Servicio básico
Costo mensual ($)
Agua
5,1489
Luz
9 904,72
3.7.4. GASTOS OPERATIVOS
En la tabla 3.20 se aprecia el salario que recibirá un trabajador en la planta
diseñada, se trabajará en 3 turnos de 8 h, con dos operarios en turnos rotativos. Se
contratará 6 operarios.
Tabla 3.20 Salario de los trabajadores de la planta
6 operarios
Costos ($)
Sueldo básico
354
Aporte al IESS
40,71
Décimo cuarto
354
Décimo tercero
354
Total operario al año
5 444,52
Sueldo mensual
453,71
Gasto mensual 6 operarios
2 722,26
125
3.7.5. COSTO DE PRODUCCIÓN
El costo de producción mensual será de $ 23807,1289 aproximadamente, la planta
producirá 20 sacos de WPC de 25 kg cada uno, por día, al mes producirá 600 sacos
los cálculos se detallan en el Anexo X.
El kilogramo de material costará $ 1,58 y el costo por saco será de $ 39,50
126
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1.
•
CONCLUSIONES
La caracterización del polietileno reciclado es primordial, para su reprocesado,
ya que por su uso previo, presenta cambios en su estructura, esto condiciona
las propiedades del material compuesto que se va a obtener, pues al adicionar
el componente lignocelulósico al polietileno de alta densidad reciclado se
favorece la degradación térmica y mecánica debido al proceso de extrusión,
aumentando el grado de degradación del material. Las técnicas de
caracterización utilizadas en este estudio han permitido determinar las
condiciones en las que se encuentra el polietileno de alta densidad reciclado y
ajustar los parámetros para disminuir este proceso degradativo.
•
El polietileno que se recicló presenta un proceso degradativo que se refleja en
los resultados obtenidos en los espectros infrarrojos, que presentan grupos
carbonilos, esto se evidenció en mayor grado en el polietileno de color amarillo
que presentó una banda más acentuada.
•
La temperatura de fusión del polietileno reciclado fue obtenida por medio de una
calorimetría diferencial de barrido, de los termogramas obtenidos, se concluye
que el material reciclado es una mezcla de polietilenos de alta densidad en
diferentes grados de degradación. Para asegurar la fusión se tomó el valor más
alto de punto de fusión 140 °C que corresponde al polietileno de color amarillo.
Adicional a esto por espectroscopía de infrarrojo se concluye que el polietileno
de alta densidad que se reciclo no presenta ningún tipo de contaminante, ya sea
polietileno de baja densidad o polipropileno.
•
De la determinación de la procesabilidad del polietileno reciclado se estableció
que el índice de fluidez es de 5,3691 g/10 min, al reprocesarlo por 3 ocasiones
127
en el mezclador interno este aumenta, esto sugiere un corte de cadenas y una
disminución del peso molecular.
•
Las partículas lignocelulósicas se encuentran con una humedad inicial de
6,9433 %, al ser sometidas a un proceso de secado se determinó que alcanzan
un peso constante a las 4 h a 100 °C , de esto se concluye que el material debe
ser sometido a un proceso de secado previo al ingreso a la línea de extrusión
para favorecer la unión fibra matriz eliminando la interferencia del vapor de agua
de la fibra en el proceso.
•
De las curvas de hidratación realizadas se determinó que el tiempo máximo de
alimentación del aserrín es de 20 minutos, ya que pasado este tiempo el aserrín
alcanza una humedad mayor al 1 % que dificulta la unión fibra matriz en el
proceso de extrusión (Ayrilmis, 2012).
•
La densidad aparente que presenta el aserrín es de 0,21 g/cm3 , esto genera
problemas de alimentación en la tolva, favoreciendo la formación de un puente
en la garganta de la misma, por la ligereza del material, como en efecto sucedió,
esto determinó la necesidad de un sistema de agitación.
•
Por medio de la termogravimetría se identificó al aserrín como el componente
que limita la temperatura del proceso de mezcla, ya que de su caracterización
se determinó que ésta debe estar bajo los 207,94 °C.
•
El agente de acoplamiento condicionó la temperatura de inicio del proceso de
mezcla polietileno-agente de acoplamiento, pues presentó en la calorimetría
diferencial de barrido una temperatura de fusión de 122,80 °C que sugirió una
temperatura de inicio del proceso menor a esta, para asegurar el arrastre del
material por el husillo, a la zona de fusión y de mezclado.
•
Debido al método utilizado para la mezcla de las diferentes formulaciones, se
garantizó un buen mezclado dispersivo y distributivo a nivel macroscópico, que
fue constatado al analizar las probetas por medio del negatoscopio.
128
•
Se tomó como criterio de selección el desplazamiento a la cedencia, de esto se
concluyó que la concentración que mejores propiedades presentó fue al 15 %
de material lignocelulósico, logrando un aumento del 26,52 % del
desplazamiento a la cedencia con respecto al polietileno de alta densidad
reciclado.
•
Al incorporar aserrín al polietileno este pierde significativamente su capacidad
de deformación: a la concentración seleccionada la deformación al pico
disminuye en 67,95 % mientras que la deformación a la ruptura disminuye en
98,60%. Esto se asocia a la incompatibilidad de las fases.
•
La concentración de agente de acoplamiento que mejores propiedades presento
fue al 1 %, aumentando el porcentaje de deformación lo cual es un indicio de la
acción compatibilizante, a partir de este valor las propiedades decrecen, esto se
debe a que en determinadas concentraciones el agente de acoplamiento deja
de favorecer la formación de los enlaces entre el polietileno y el aserrín.
•
El contenido de agente al 1 % y al 2 % presentan valores cercanos y mayores
a los de las otras concentraciones, en este caso el valor que se tomó fue el
porcentaje menor, pues el agente de acoplamiento es el limitante por costos y
al presentar iguales propiedades tanto al 1 % como al 2 %, el colocar más
agente de acoplamiento representa un desperdicio.
•
La planta se diseñó para la producción de 20 sacos de 25 kg de madera plástica
diarios, con una concentración de 1 % de agente de acoplamiento y 15 % de
aserrín, con una producción continua de 24 h y 2 operarios por turno en tres
turnos diarios.
•
La extrusora que se seleccionó es de doble husillo corrotante con una relación
L/D de 42 y una relación de compresión de 3. Las características de esta
extrusora serán usadas para las mezclas polietileno- agente de acoplamiento y
polietileno-agente de acoplamiento-aserrín.
129
4.2.
•
RECOMENDACIONES
Para la fabricación de madera plástica con polietileno reciclado debido a la
degradación ya existente en el polímero se deberá adicionar a la mezcla
antioxidantes, estabilizantes de luz ultra violeta y retardantes de llama, ya que
este sufrirá degradación al momento de preparar la mezcla, al momento de
reprocesar la madera plástica y en su uso final.
•
Para evitar la degradación del componente lignocelulósico, se debe considerar
un factor de seguridad para las temperaturas del proceso, en esta tesis se
trabajó a 180 °C como temperatura máxima de procesamiento.
•
Una fuente de error es el método de moldeo por compresión de las probetas
para ensayos mecánicos, en la implementación industrial se recomienda
obtener probetas por el método de inyección para disminuir el porcentaje de
error que genera el moldeo por compresión en moldes tipo flash.
•
En un proceso industrial es imprescindible la implementación de tolvas con
agitadores que permitan mantener un flujo constante del material. Ayudar a
mejorar las condiciones de alimentación, aumenta la precisión en las
dosificaciones.
•
Analizar microscópicamente el tipo de fractura que presenta el material para
determinar de manera más clara la acción del agente de acoplamiento al
momento de la unión fibra matriz, en cada dosificación.
•
Exponer el material formulado a atmósfera de envejecimiento acelerado para
determinar la vida útil que podría presentar en su uso final, al momento de ser
expuesto a radiación ultra violeta en ambientes exteriores.
130
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135
ANEXOS
ANEXO I
CÁLCULO DE LA DENSIDAD DEL POLIETILENO RECICLADO Y
DE LA MADERA PLÁSTICA
߲ൌ
஺
߲
஺ି஻ ଴
߲ൌ
‫ܣ‬
߲
ܲ ଴
߲ ൌ ݀݁݊‫݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݀ܽ݀݅ݏ‬
‫ ܣ‬ൌ ܲ݁‫݁ݎ݈݅ܽ݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݋ݏ‬
‫ ܤ‬ൌ ܲ݁‫ݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݋ݏ‬
߲଴ ൌ ‫ܽ݀ܽ݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌݉݁ݐ݈ܽܽݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݀݀ܽ݀݅ݏ݊݁ܦ‬
ܲ ൌ ‫ ܣ‬െ ‫ ܤ‬ൌ ݁݉‫ݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݆݁݀݁ݑ݌‬
Ejemplo de cálculo para el polietileno reciclado con agua como liquido auxiliar a 20 ° C
߲ൌ
Ͳǡ͸͸Ͳʹ
ൈ Ͳǡͻͻͺʹ͵
Ͳǡ͸͸Ͳʹ െ ሺെͲǡͲʹ͵ሻ
߲ ൌ Ͳǡͻ͸Ͷ͸ ൅ ‫݁ݎ݈݆݅ܽ݁݀݁ݑ݌݉ܧ‬
݃
߲ ൌ Ͳǡͻ͸Ͷ͸ ൅ ͲǡͲͲͳʹ ଷ ܿ݉
݃
߲ ൌ Ͳǡͻ͸ͷͺ ଷ
ܿ݉
136
Tabla A I. 1. Valores para el cálculo de la densidad del polietileno de alta densidad
reciclado
Polietileno de alta densidad reciclado
A
B
do
[g]
[g]
20 °C
1
0,6602
-0,0230
0,9982
0,9646
2
0,5444
-0,0321
0,9982
0,9426
3
0,6377
-0,0243
0,9982
0,9616
4
0,4998
-0,0257
0,9982
0,9494
Promedio
0,9546
Densidad
0,9558
Muestra
d
Tabla A I. 2. Valores para el cálculo de la densidad del WPC
Madera plástica
A
B
do
࠭
Muestra
[g]
[g]
19°C
;ŐͬŵůͿ
1
0,3803
0,0033
0,9984
1,0071
2
0,3253
0,0040
0,9984
1,0108
3
0,3900
0,0033
0,9984
1,0069
4
0,3636
0,0035
0,9984
1,0081
5
0,3027
0,0032
0,9984
1,0090
6
0,3095
0,0013
0,9984
1,0026
Promedio
1,0074
Densidad
1,0086
137
ANEXO II
CÁLCULO DE LA DENSIDAD APARENTE DE LAS MATERIAS PRIMAS Y DE
LA MEZCLA SELECCIONADA
Tabla A II. 1. Valores para el cálculo de la densidad aparente del aserrín
Peso
Volumen
‫ܪ‬
(g)
(ml)
(g/ml)
18,95
86
0,22
19,04
87
0,21
19,75
94
0,21
19,61
93
0,21
18,06
84
0,21
18,16
82
0,22
21,31
98
0,21
19,64
94
0,20
Promedio
0,21
Desviación
0,005
Tabla A II. 2. Valores para el cálculo de la densidad aparente del polietileno
Peso
Volumen
‫ܪ‬
(g)
(ml)
(g/ml)
27,11
59
0,45
26,42
57
0,46
25,22
53
0,47
25,63
54,03
0,47
22,90
53
0,43
25,19
54
0,46
24,30
54
0,45
22,80
51
0,44
Promedio
0,45
Desviación
0,015
138
Tabla A II.3. Valores para el cálculo de la densidad aparente de la mezcla final
Peso
Volumen
‫ܪ‬
(g)
(ml)
(g/ml)
28,36
54
0,52
26,73
50
0,53
29,31
54
0,54
28,71
53
0,54
29,1
54
0,53
27,79
52
0,53
29,4
54
0,54
28,37
53
0,53
Promedio
0,53
Desviación
0,006
139
ANEXO III
DETERMINACIÓN DE LAS MASAS DE CADA UNA DE LAS
MEZCLAS QUE SE CARGARON EN EL REÓMETRO
Se determinó la densidad de la mezcla con la ecuación A.III.1.
߲௠ ൌ ߲ଵ ‫ܺ כ‬ଵ ൅ ߲ଶ ‫ܺ כ‬ଶ
Donde:
߲௠ = densidad de la mezcla (g/cm3)
߲ଵ = densidad del componente 1 (g/cm3)
ܺଵ= fracción en peso del componente 1
߲ଶ = densidad del componente 2 (g/cm3)
ܺଶ= fracción en peso del componente 2
Según el manual de operación del reómetro Haake modelo Rheomix 600P al usar
rotores Roller el volumen de la cámara es de 70 cm3 y el porcentaje de llenado
recomendado es de 70%.
•
Ejemplo de cálculo de la densidad de la mezcla usando la concentración de
aserrín al 15%.
ଷ
݃
߲௠ ൌ Ͳǡʹͳͷ͵ ‫Ͳ כ‬ǡͳͷ ൅ Ͳǡͻͷͷ ‫Ͳ כ‬ǡͺͷ ൌ ͲǡͺͶͶ ൗܿ݉ Para calcular la masa de la mezcla:
݉ ൌ ߲௠ ‫ܸ כ‬௡ ‫݂ כ‬
Donde:
݉ = masa de la mezcla [g]
߲௠ = densidad de la mezcla g/cm3
ܸ௡ = volumen neto de la cámara cm3
[A.III.2]
[A.III.1]
140
݂
= fracción optima de llenado
•
Ejemplo de cálculo de la masa de la mezcla usando la concentración de aserrín
al 15%.
݉ ൌ ͲǡͺͶͶ ‫ כ‬͹Ͳ ‫Ͳ כ‬ǡ͹ ൌ Ͷͳǡ͵ͷͺ݃
[A.III.2]
Tabla A III.1. Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de
polietileno reciclado junto con aserrín.
Densidad de la
Masa del
Masa del
Masa de la
mezcla
aserrín
polietileno
mezcla
[g/cm ]
[g]
[g]
[g]
5%
0,918
2,249
42,734
44,983
10 %
0,881
4,317
38,853
43,170
15 %
0,844
6,204
35,154
41,358
20 %
0,807
7,909
31,637
39,546
25 %
0,770
9,433
28,300
37,734
30 %
0,733
10,776
25,145
35,921
35 %
0,696
11,938
22,171
34,109
40 %
0,659
12,919
19,378
32,297
45 %
0,622
13,718
16,767
30,485
Concentración
Aserrín
3
Tabla A III.2. Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de
polietileno reciclado, aserrín y agente de acoplamiento.
Masa del
Concentración
Densidad de
Masa del
Masa del
Agente de
la mezcla
aserrín
polietileno
acoplamiento
[g/cm3]
[g]
[g]
0,5 %
0,844
6,205
34,955
0,207
41,367
1,0 %
0,844
6,206
34,755
0,414
41,375
1,5 %
0,845
6,208
34,556
0,621
41,384
2,0 %
0,845
6,209
34,356
0,828
41,393
3,0 %
0,845
6,211
33,956
1,242
41,410
5,0 %
0,846
6,217
33,155
2,072
41,444
agente de
acoplamiento
[g]
Masa de
la mezcla
[g]
141
ANEXO IV
CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LA PLANTA PILOTO DE
MADERA PLÁSTICA
CAPACIDAD DE LA PLANTA
En la Estación de Transferencia NORTE (Las palmeras y Eloy Alfaro) se recolectan
1 015,72 t de esto el 15,5 % son plásticos de los cuales alrededor del 12% se recicla
y de esto el 2,424 % son plásticos de alta densidad.
ͳͲͳͷǡ͹ʹ
ͳͷ͹ǡͶ͵
ͳͺǡͺͻ
‫ͳ ݊݋ݐ‬ͷǡͷ‫݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬
‫݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬
ൈ
ൌ ͳͷ͹ǡͶ͵
݀Àܽ
ͳͲͲ‫݊݋ݐ‬
݀Àܽ
‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐʹͳ ݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬
‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬
ൈ
ൌ ͳͺǡͺͻ
݀Àܽ
ͳͲͲ‫݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬
݀Àܽ
‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬
ʹǡͶʹͶ‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬
‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬
ൈ
ൌ ͲǡͶͷ͹
݀Àܽ
ͳͲͲ‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬
݀Àܽ
ͲǡͶͷ͹
‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬
݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬
ൌ Ͷͷ͹
݀Àܽ
݀Àܽ
BALANCE DE MASA
•
Materias primas
Se producirá 0,5 T/día por lo tanto se consumirá 0,42 t PEADR/día con un sobrante
de 0,037 T/día.
݇݃݉݁‫݀ͳ ݈ܽܿݖ‬Àܽ
݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
ൈ
ൌ ʹͲǡͺ͵
݀Àܽ
ʹͶ݄
݄
݇݃݉݁‫ͳ ݈ܽܿݖ‬ͷ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
ʹͲǡͺ͵
ൈ
ൌ ͵ǡͳʹͷ
݄
ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
݄
ͷͲͲ
142
ʹͲǡͺ͵
݈݇݃݅ܿ‫݁݊݁ܿ݋‬
݇݃݉݁‫݁݊݁ܿ݋݈ܿ݅݃݇ͳ ݈ܽܿݖ‬
ൈ
ൌ ͲǡʹͲͺ
ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
݄
݄
ʹͲǡͺ͵
݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
ͺͶ݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬
݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬
ൈ
ൌ ͳ͹ǡͶͻ
݄
ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
݄
Tabla A IV.1. Balance de masa de la planta de producción de madera plástica
Componente
Cantidad
Cantidad
Cantidad
[t / día]
[ kg / día]
[ kg / h]
0,42
420
17,5
0,075
75
3,125
0,005
5
0,208
0,5
500
20,833
Polietileno de alta
densidad
reciclado
Aserrín
Agente de
acoplamiento
Total
•
Agua que sale del secador
ʹͲǡͺ͵
͵ǡͳʹͷ
Ͳǡʹͳ͸ͺ
݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
݇݃݉݁‫ͳ ݈ܽܿݖ‬ͷ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
ൈ
ൌ ͵ǡͳʹͷ
ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬
݄
݄
݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ͲǡͲ͸ͻͶ݇݃ܽ݃‫ܽݑ‬
݇݃ܽ݃‫ܽݑ‬
ൈ
ൌ Ͳǡʹͳ͸ͺ
݄
ͳ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
݄
݇݃ܽ݃‫݈݉ͳ ݃ͲͲͲͳ ܽݑ‬
݈݉ܽ݃‫ܽݑ‬
݈ܽ݃‫ܽݑ‬
ൈ
ൈ
ൌ ʹͳ͸ǡͺ
ൌ Ͳǡʹͳ͸ͺ
݄
ͳ݇݃
ͳ݃
݄
݄
ൌ ʹǡͳ͸ͺ ൈ ͳͲିସ
ʹͳ͸ǡͺ
݉ଷ ܽ݃‫ܽݑ‬
݄
݈݉ܽ݃‫ʹ ܽݑ‬Ͷ݄
ͳ݈
݈ܽ݃‫ܽݑ‬
݉ଷ ܽ݃‫ܽݑ‬
ൈ
ൈ
ൌ ͷǡʹͲ͵ʹ
ൌ ͷǡʹ ൈ ͳͲିଷ ݄
ͳ݀Àܽ ͳͲͲͲ݈݉
݀Àܽ
݀Àܽ
Tabla A IV.2. Balance de masa del agua que sale del secador
Cantidad de agua
que sale del secador
l /h
l /día
m3/h
m3/día
0,2168 5,2032 2,168 ×10-4 5,2 ×10-3
143
•
Agua usada en el tanque de enfriamiento
ͳǡͺ݉ ൈ Ͳǡͷ݉ ൈ Ͳǡͷ݉ ൌ Ͳǡ͵͹ͷ݉ଷ ൌ ͵͹ͷ݈
SELECCIÓN DE EQUIPOS
•
Determinación de las características del extrusor para la mezcla por medio de
la ecuación que se encuentra a continuación (Rosato & Rosato, 1989, p. 160):
݉ ൌ ʹǡ͵ ൈ ‫ܦ‬ଶ ൈ ݄ ൈ ݃ ൈ ܰ
[A.I.2]
Donde:
m= Alimentación [lb/h]
D= Diámetro del husillo [plg]
h= altura filete zona de dosificación [plg]
g= Gravedad especifica del fluido
N= Velocidad del husillo [rpm]
En un extrusor de doble husillo el diámetro del husillo no es un factor determinante.
El factor que determina el equipo es el intereje que es la distancia entre centro a
centro de los husillos (Ramos, 2002, p. 144).
ʹ‫ ܫ‬ൌ ‫ ܦ‬൅ ݀
[A.I.2]
Figura A.IV.1 Esquema de una extrusora corrotante
Por lo tanto:
݄ ൌ‫ܦ‬െ‫ܫ‬
[A.I.2]
Según Naranjo la relación entre la altura del flete y el diámetro se define por:
݄ ൌ ͲǡͲͷ ൈ ‫ܦ‬
[A.I.2]
144
Por el método de prueba y error se determinó el diámetro y las revoluciones que
teóricamente debería dar el husillo para una producción de 20,83 Kg/h, los valores
a continuación presentados serán para un Diámetro de 35 mm:
ܰൌ
ͳ
݉
ൈ ଶ
ʹǡ͵ ൈ ݄ ൈ ݃ ‫ܦ‬
Donde:
݄ ൌ ͲǡͲͷ ൈ ‫ܦ‬
ܰൌ
ܰൌ
݉
ͳ
ൈ ଷ
Ͳǡͳͳͷ ൈ ݃ ‫ܦ‬
Ͷͷǡͻʹ݈ܾȀ݄
ͳ
ൈ
Ͳǡͳͳͷ ൈ ͳǡͲͲͺ ሾͳǡ͵͹ͺ‫݈݃݌‬ሿଷ
ܰ ൌ ͳͷͳǡͶͳ‫݉݌ݎ‬
݄ ൌ‫ܦ‬െ‫ܫ‬
‫ ܫ‬ൌ‫ܦ‬െ݄
‫ ܫ‬ൌ ͳǡ͵͹ͺ‫ ݈݃݌‬െ ͲǡͲ͸ͻ
‫ ܫ‬ൌ ͳǡ͵Ͳͻ‫݈݃݌‬
ʹ‫ ܫ‬ൌ ‫ ܦ‬൅ ݀
݀ ൌ ʹ‫ ܫ‬െ ‫ܦ‬
݀ ൌ ʹሺͳǡ͵Ͳͻሻ െ ͳǡ͵͹ͺ
݀ ൌ ͳǡʹͶͲ‫݈݃݌‬
Tabla A IV.3. Valores de prueba y error para la determinación del diámetro y del intereje
del extrusor para una producción de 20,83 kg/h
D
h
[mm] [plg] [mm] [plg]
N
[rpm]
I
[hz]
d
[mm] [plg] [mm] [plg]
25,000 0,984 1,250 0,049 415,475 6,925 23,750 0,935 22,500 0,886
30,000 1,181 1,500 0,059 240,437 4,007 28,500 1,122 27,000 1,063
35,000 1,378 1,750 0,069 151,412 2,524 33,250 1,309 31,500 1,240
40,000 1,575 2,000 0,079 101,434 1,691 38,000 1,496 36,000 1,417
145
•
Calculo de la relación L/D
Según Morales los valores mínimos, medio y máximo de longitud del husillo según
las zonas se determinan de la siguiente manera:
Tabla A IV.4.
Valores de longitud mínimo, medio y máximo por zonas del husillo para
la determinación de su longitud máxima con un diámetro de 35 mm
Zona
Mínimo Medio Máximo
Zona de Alimentación
8D
10D
12D
[mm]
280
350
420
Zona de compresión
10D
12D
14D
[mm]
350
420
490
Zona de dosificación
12D
14D
16D
[mm]
420
490
560
Longitud [mm]
1050
1260
1470
L/D
30
36
42
Se consideró para el cálculo de L/D el valor máximo de longitud del husillo con un
diámetro de 35 mm para asegurar un mezclado más eficiente, tomando en cuenta
que según Naranjo (2002) la relación L/D debe ser mayor a 30 para extrusoras con
puertos de venteo.
‫ͳ ܮ‬Ͷ͹Ͳ݉݉
ൌ
‫ܦ‬
͵ͷ݉݉
‫ܮ‬
ൌ Ͷʹ
‫ܦ‬
146
•
Calculo de la relación de compresión Rc:
Según Morales (2010) el factor de compresión es la relación volumétrica entre la
zona de alimentación y dosificado pero se la expresa como la relación de
profundidad de canales en estas zonas si el ángulo y la altura de los filetes se
mantienen constantes:
௛
ܴܿ ൌ ௛భ
[A.I.2]
మ
Donde:
h1 = altura del filete en la zona de alimentación [mm]
h2 = altura del filete en la zona de dosificación [mm]
Tabla A IV.5.
Valores mínimos y máximos de alturas de filetes en la zona de
alimentación y dosificación (Ramos, 2002, p. 245)
Zona
Mínimo Máximo
Zona de Alimentación
0,10D
0,15D
[mm]
3,5
5,25
Zona de dosificación
0,025D
0,05D
[mm]
0,875
1,75
Se consideró los valores máximos de Rc para los filetes
ܴܿ ൌ
ͷǡʹͷ݉݉
ͳǡ͹ͷ݉݉
ܴܿ ൌ ͵
•
Secador
Para la selección de un secador se debe conocer el volumen a secar, se tomó en
cuenta el volumen requerido para un día de producción.
͵ǡͳʹͷ
ʹͶ݄
݈݉
ͳͲͲͲ݃
ͳ‫ܮ‬
‫ݎݎ݁ݏܽܮ‬À݊
‫݃ܭ‬
ൈ
ൈ
ൈ
ൈ
ൌ ͵Ͷͺǡͺ͵͹
ͳ݀Àܽ‫Ͳ ݏ‬ǡʹͳͷ݃
ͳ‫݃ܭ‬
ͳͲͲͲ݈݉
݀Àܽ
݄
147
•
Molino
Para la selección de un molino se considera la carga que se requiere disminuir el
tamaño.
͵ǡͳʹͷ
ʹͶ݄
݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊
‫݃ܭ‬
ൈ
ൈൌ ͹ͷ
ͳ݀Àܽ‫ݏ‬
݀Àܽ
݄
148
ANEXO V
REOGRAMAS DE ALGUNAS DE LAS MEZCLAS REALIZADAS EN
EL REÓMETRO
Figura A V.1.
Figura A V.2.
Reograma del Polietileno solo
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %
149
Figura A V.3.
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %
Figura A V.4.
Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %
150
Figura A V.5. Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 % con 1 % de agente
de acoplamiento
17,94
27,12
45,15
64,07
1
2
4
6
62,28
45,75
27,20
18,57
13,64
2
63,56
45,63
27,42
18,27
13,28
3
62,04
44,76
27,20
17,99
13,19
4
54,37
35,45
17,42
8,24
3,36
1
52,50
35,97
17,42
8,79
3,86
2
53,73
35,80
17,59
8,44
3,45
3
[g/min]
[g/min]
13,06
1
Masa aserrín
Masa de la tarrina y aserrín
0,5
[Hz]
Velocidad
52,58
35,30
17,74
8,53
3,73
4
53,30
35,63
17,54
8,50
3,60
[g/min]
Aserrín
Tabla A VI.1. Calibración de la tolva secundaria con aserrín de 140 µm
VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LAS TOLVAS
VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LAS TOLVAS Y LA EXTRUSORA
ANEXO VI
0,91
0,31
0,15
0,23
0,23
Des. est
3,20
2,14
1,05
0,51
0,22
(kg/h)
Aserrín
151
9,89
10,94
13,02
14,91
16,64
28,64
0,2
0,3
0,4
0,5
1
1
0,1
Velocidad [Hz]
28,76
17,46
15,31
13,22
11,25
10,07
2
28,78
17,95
15,37
13,62
11,05
10,32
3
28,29
17,83
15,06
13,46
10,78
9,76
4
Masa de la tarrina y aserrín [g/min]
7,68
5,53
3,44
1,47
0,29
2
8,12
5,54
3,79
1,22
0,49
3
8,37
5,60
4,00
1,32
0,30
4
18,93
7,78
5,47
3,64
1,31
0,32
[g/min]
acoplamiento
[g/min]
18,94 18,98 18,95 18,83
6,94
5,21
3,32
1,24
0,19
1
Agente de
Masa aserrín
Tabla A VI.2. Calibración de la tolva secundaria con agente de acoplamiento
0,07
0,63
0,18
0,31
0,11
0,13
Est
Des.
1,14
0,47
0,33
0,22
0,08
0,02
[kg/h]
acoplamiento
Agente de
152
43,52
60,84
81,53
98,94
113,88
2
3
4
5
6
114,04
100,07
81,10
62,72
43,20
26,31
2
112,55
98,28
80,56
60,45
43,82
24,79
3
110,37
99,34
80,87
61,30
44,37
24,86
4
104,18
89,24
71,83
51,14
33,82
15,60
1
102,26
90,29
71,32
52,94
33,42
16,53
2
102,72
88,45
70,73
50,62
33,99
14,96
3
[g/min]
[g/min]
25,30
1
Masa aserrín
Masa de la tarrina y aserrín
1
[Hz]
Velocidad
100,91
89,88
71,41
51,84
34,91
15,40
4
Tabla A VI.3. Calibración de la tolva principal con PEHDR
102,52
89,47
71,32
51,64
34,04
1,35
0,80
0,45
1,00
0,63
0,66
Est
[g/min]
15,62
Des.
PEADR
6,15
5,37
4,28
3,10
2,04
0,94
(kg/h)
PEADR
153
31,62
53,28
75,75
100,37
118,57
2
3
4
5
1
1
[Hz]
Velocidad
118,64
99,01
74,29
52,85
31,42
2
[g/min]
119,88
100,63
75,58
53,59
30,36
3
Masa de la tarrina y aserrín
108,87
90,67
66,05
43,58
21,29
1
108,86
89,23
64,51
43,07
21,30
2
Masa aserrín [g/min]
110,05
90,80
65,75
43,76
20,24
3
109,26
90,23
65,44
43,47
20,94
[g/min]
acoplamiento
agente de
PEADR
0,68
0,87
0,82
0,36
0,61
Des. Est.
Tabla A VI.4. Calibración de la tolva principal con la mezcla de PEHDR y agente de acoplamiento
6,56
5,41
3,93
2,61
1,26
(Kg/h)
acoplamiento
agente de
PEADR
154
0,405
0,50
0,614
0,849
1,06
1,22
42
51,635
71,3225
89,465
102,51
[g/min]
acoplamiento
Agente de
34,035
[g/min]
Pehdr
103,73
90,52
72,1715
52,24
42,50
34,44
[g/min]
Masa
3,6
3,1
2,6
1,5
1
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,4
Hz
Hz
0,5
Peletizador
Husillo
100,8
81,9
68,79
49,64
36,04
26,87
1
101,4
82,90
67,39
48,72
36,53
27,30
2
g/min
Masa salida
101,9
83,01
68,54
49,03
36,97
26,9
3
101,36
82,60
68,24
49,13
36,51
27,02
Promedio
0,55
0,61
0,74
0,46
0,46
0,24
Est.
desv.
6,08
4,95
4,09
2,94
2,19
1,62
kg/h
Masa peletizador g/min
Tabla A VI.5. Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla polietileno-agente de acoplamiento
VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LA EXTRUSORA
0,075
0,076
0,085
0,14
0,17
0,24
h
4,52
4,57
5,1
8,8
10,21
14,43
min
husillo
residencia
Tiempo
155
3,69
7,50
11,54
15,92
19,28
42,5
65,43
90,233
109,26
[g/min]
Aserrín
20,943
[g/min]
acoplamiento
Pehdr+agente de
128,54
106,15
76,97
50,00
24,63
[g/min]
esperada
Masa
4
3,4
2,8
1,5
0,95
0,8
0,7
0,65
0,4
Hz
Hz
0,5
Peletizador
Husillo
124,6
93,95
68,79
46,06
21,34
1
124,06
93,98
66,97
46,32
21,98
2
g/min
Masa salida
124,87
93,01
68,54
46,01
22,34
3
124,51
93,64
68,1
46,13
0,41
0,55
0,98
0,16
0,50
Est.
dio
21,88
desv.
Prome
7,71
6,36
4,61
3.00
1,47
kg/h
Masa peletizador g/min
Tabla A VI.6. Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla final obtenida
0,0855
0,094
0,145
0,172
0,381
h
5,13
5,64
8,74
10,33
22,87
min
husillo
residencia
Tiempo
156
Deformación
al pico
(%)
13,76
7,45
6,33
4,40
3,53
2,68
1,85
1,65
1,94
1,86
Porcentaje
de aserrín
[%]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,44
0,52
0,66
0,57
0,47
0,26
0,27
0,48
1,62
0,85
estándar
Desviación
13,56
12,56
8,28
11,62
14,94
14,19
19,82
23,63
26,61
21,30
(MPa)
al pico
Esfuerzo
3,37
2,65
2,05
2,44
1,78
2,20
1,32
0,94
2,33
1,70
estándar
Desviación
1,86
1,94
1,65
1,85
2,68
3,53
4,40
6,33
7,45
334,50
(%)
a la ruptura
Deformación
0,44
0,52
0,66
0,57
0,47
0,26
0,27
0,48
1,62
45,05
estándar
Desviación
13,56
12,56
8,28
11,62
14,94
14,19
19,82
23,63
26,61
8,95
(MPa)
la ruptura
Esfuerzo a
3,37
2,65
2,05
2,44
1,78
2,20
1,32
0,94
2,33
1,97
estándar
Desviación
771,82
661,60
664,82
648,58
650,90
613,46
651,86
558,74
557,30
485,72
(MPa)
Young
de
Módulo
Tabla A VII.1. Valores de ensayo de tracción de las diferentes concentraciones sin el uso de agente de acoplamiento
VALORES DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS DE LAS DIFERENTES MEZCLAS
ANEXO VII
39,87
26,74
15,27
51,43
26,84
30,38
42,92
23,60
19,03
28,30
estándar
Desviación
157
9,04
7,43
9,54
8,72
8,36
6,70
7,48
7,12
4,82
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,43
0,36
0,48
0,55
0,54
0,71
0,37
0,90
0,54
0,74
estándar
a cedencia (mm)
7,54
Desviación
Desplazamiento
0
Concentración
1574,82
1900,00
1538,76
1905,00
697,70
482,04
533,72
444,45
519,50
1563,00
(MPa)
Modulo
19,05
173,33
145,94
5,56
18,81
28,95
28,09
9,03
36,49
168,87
estándar
Desviación
Tabla A VII.2. Valores de ensayo de flexión de las diferentes concentraciones sin el uso de agente de acoplamiento
158
;йͿ
ϰ͕ϰϬ
ϯ͕ϵϵ
ϱ͕ϵϲ
ϰ͕ϳϭ
ϯ͕Ϭϲ
ϰ͕ϱϭ
ϰ͕ϯϴ
Ϭ
Ϭ͕ϱ
ϭ
ϭ͕ϱ
Ϯ
ϯ
ϱ
ĂůƉŝĐŽ
ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶ
нĂƐĞƌƌŝŶϭϱй
ĂĐŽƉůĂŵŝĞŶƚŽ΁й
΀ŐĞŶƚĞĚĞ
Ϭ͕ϯϭ
Ϭ͕ϱϲ
Ϭ͕ϰϲ
Ϭ͕ϲϳ
Ϭ͕ϱϲ
Ϭ͕ϯϴ
Ϭ͕Ϯϳ
ĞƐƚĄŶĚĂƌ
ĞƐǀŝĂĐŝſŶ
Ϯϰ͕ϲϯ
Ϯϰ͕ϯϱ
ϭϳ͕ϭϲ
Ϯϯ͕ϵϱ
Ϯϳ͕ϯϭ
ϮϬ͕ϵϲ
ϭϵ͕ϴϮ
;MPaͿ
ƉŝĐŽ
ƐĨƵĞƌnjŽĂů
ϭ͕ϯϴ
Ϭ͕ϵϯ
Ϯ͕ϳϳ
ϭ͕ϱϮ
Ϭ͕ϵϵ
ϯ͕ϭϯ
ϭ͕ϯϮ
ĞƐƚĄŶĚĂƌ
ĞƐǀŝĂĐŝſŶ
ϰ͕ϯϴ
ϰ͕ϱϭ
ϯ͕Ϭϲ
ϰ͕ϳϭ
ϱ͕ϵϲ
ϯ͕ϵϵ
ϰ͕ϰϬ
;йͿ
ĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ
ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶ
Ϭ͕ϯϭ
Ϭ͕ϱϲ
Ϭ͕ϰϲ
Ϭ͕ϲϳ
Ϭ͕ϱϲ
Ϭ͕ϯϴ
Ϭ͕Ϯϳ
ĞƐƚĄŶĚĂƌ
ĞƐǀŝĂĐŝſŶ
Ϯϰ͕ϲϯ
Ϯϰ͕ϯϱ
ϭϳ͕ϭϲ
Ϯϯ͕ϵϱ
Ϯϳ͕ϯϭ
ϮϬ͕ϵϲ
ϭϵ͕ϴϮ
;MPaͿ
ůĂƌƵƉƚƵƌĂ
ƐĨƵĞƌnjŽĂ
ϭ͕ϯϴ
Ϭ͕ϵϯ
Ϯ͕ϳϳ
ϭ͕ϱϮ
Ϭ͕ϵϵ
ϯ͕ϭϯ
ϭ͕ϯϮ
ĞƐƚĄŶĚĂƌ
ĞƐǀŝĂĐŝſŶ
ϳϱϴ͕ϬϬ
ϳϲϭ͕ϯϬ
ϱϵϱ͕Ϯϲ
ϲϴϴ͕Ϯϴ
ϲϳϯ͕ϴϲ
ϲϴϱ͕ϳϮ
ϲϱϭ͕ϴϲ
;MPaͿ
zŽƵŶŐ
DſĚƵůŽĚĞ
ϲϰ͕ϱϳ
ϱϴ͕ϱϵ
ϭϯ͕ϭϯ
Ϯϵ͕ϯϮ
Ϯϱ͕ϯϯ
ϰϮ͕ϱϵ
ϰϮ͕ϵϮ
ĞƐƚĄŶĚĂƌ
ĞƐǀŝĂĐŝſŶ
Tabla A VII.3. Valores del ensayo de tracción del material compuesto al 15 % de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento.
159
9,54
10,70
11,48
8,75
11,45
8,80
8,48
0,5
1
1,5
2
3
5
a cedencia (mm)
0,55
0,52
0,89
0,68
0,37
0,42
0,37
estándar
1 068,22
852,52
705,06
723,22
778,56
900,90
533,72
(MPa)
182,60
39,50
96,80
90,76
36,80
21,88
28,09
estándar
Desplazamiento Desviación Modulo Desviación
0
Concentración
Tabla A VII.4. Valores del ensayo de flexión del material compuesto al 15 % de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento
160
161
ANEXO VIII
PROFORMAS DE MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS EN LA
PLANTA DE MADERA PLÁSTICA
POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD RECICLADO
162
163
164
AGENTE DE ACOPLAMIENTO
165
ANEXO IX
PROFORMAS DE LOS EQUIPOS
LÍNEA DE EXTRUSIÓN
166
167
168
169
170
171
172
173
SECADOR ROTATORIO
174
175
176
SISTEMA DE PESAJE
177
178
179
ANEXO X
CÁLCULOS ANÁLISIS ECONÓMICO
Se producirá 20 sacos diarios de madera plástica que estará conformado por la
siguiente cantidad de materia prima:
Tabla A X.1. Materias primas que se utilizarán en un día
Componente
Flujo másico
[ kg / día]
Polietileno de alta
densidad reciclado
Aserrín
420
75
Agente de
acoplamiento
5
(Licocene®)
Total
500
PRODUCCIÓN MENSUAL:
•
Costo del polietileno reciclado
ͶʹͲ
•
݇݃ Ͳǡ͹ͷ̈́
ൈ
ൈ ͵Ͳ‫ܦ‬Àܽ‫ ݏ‬ൌ ͻͶͷͲ̈́
‫ܦ‬Àܽ
ͳ‫݃ܭ‬
Costo del agente de acoplamiento
ͷ
ܷܵ‫ܦ‬
݇݃ ͳͳǡͷͲܷܵ‫ܦ‬
ൈ
ൈ ͵Ͳ‫ܦ‬Àܽ‫ ݏ‬ൌ ͳ͹ʹͷ
ͳ‫݃ܭ‬
‫ݏ݁ܯ‬
‫ܦ‬Àܽ
180
AGUA UTILIZADA AL MES
Se utilizara 0,375 m3 de agua en el tanque de enfriamiento y en el tanque de la
bomba se utilizara 0,4 m3 esta cantidad de agua se cambiara semanalmente, 4
cambios al mes, el valor de agua en la ciudad de quito en el sector industrial
corresponde a 0,72 $/m3, el costo del alcantarillado es de 36,6 % del consumo y el
cargo fijo de conexión es del 2,1 $ por mes.
Ͳǡ͹͹ͷ݉ଷ ൈ Ͷܾܿܽ݉݅‫ ݏ݋‬ൈ Ͳǡ͹ʹ‫ ݀ݏݑ‬ൌ ʹǡʹ͵ʹ
̈́
‫ݏ݁ܯ‬
El costo total de agua para la producción será de:
ʹǡʹ͵ʹ
̈́
̈́
̈́
൅ ʹǡͳ
൅ Ͳǡͺͳ͸ͻ̈́ ൌ ͷǡͳͶͺͻ
‫ݏ݁ܯ‬
‫ݏ݁ܯ‬
‫ݏ݁ܯ‬
ENERGÍA ELÉCTRICA AL MES
La potencia consumida por los equipos será de 2320,5 Kwh con un factor de
corrección de 0,6 pues el uso no será en su máxima capacidad.
El costo del Kwh para consumo industrial es de 0,068 $ según la Empresa Eléctrica
Quito en el pliego tarifario vigente, con un recargo mensual de 4,182 al mes por ser
zona industrial por Kwh, más 15 % por alumbrado y recolección de basura, el
cuerpo de bomberos en zona industrial cobra 17,52 $ y el costo de la
comercialización es de 1,414 $.
ʹ͵ʹͲǡͷ
‫݄ݓܭ‬
ൈ ͲǡͲ͸ͺ̈́ ൅ ൫ሺʹ͵ʹͲǡͷ ൈ Ͷǡͳͺʹሻ ൅ ͳ͹ǡͷʹ ൅ ͳǡͶͳͶ൯̈́ ൅ ሺʹ͵ʹͲǡͷ ൈ Ͳǡͳͷሻ̈́
‫ݏ݁ܯ‬
̈́
ൌ ͻͻͲͶǡ͹ʹ
‫ݏ݁ܯ‬
181
SALARIO PARA OPERARIOS
Sueldo básico 354 $
Numero de operarios 6
Aporte al IESS 11,5 %
Décimo tercero 354 $
Décimo cuarto 354 $
Total por operario al año 5 444,52 $
Sueldo mensual 453,71 $
Gasto mensual en sueldos de 6 operarios 2 722,26 $
COSTO DE PRODUCCIÓN
࡯ࡻࡿࢀࡻࡸࢁࢆ ൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻ࡭ࡳࢁ࡭ ൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡹ࡭ࢀࡱࡾࡵ࡭ࡿࡼࡾࡵࡹ࡭ࡿ
൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡻࡼࡱࡾ࡭ࡾࡵࡻࡿ ൌ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡼࡾࡻࡰࢁ࡯࡯ࡵࡻࡺࢀࡻࢀ࡭ࡸ
ૢૢ૙૝ǡ ૠ૛ ൅ ૞ǡ ૚૝ૡૢ ൅ ሺૢ૝૞૙ ൅ ૚ૠ૛૞ሻ ൅ ૛ૠ૛૛ǡ ૛૟ ൌ ૛૜ૡ૙ૠǡ ૚૛ૡૢ࢛࢙ࢊ
La producción es de 600 sacos al mes cuyo costo por saco oscilaría entre $39,50
El kilogramo de material costara $1,58