UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES EXTRUSIÓN DE ESPUMAS DE PEBD Y MEZCLAS DE PEBD/EVA EN LA EMPRESA TECNOLÁMINAS Realizado por: Emira Mercedes Molina Cabrera INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción: Polímeros Sartenejas, Noviembre de 2007 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES EXTRUSIÓN DE ESPUMAS DE PEBD Y MEZCLAS DE PEBD/EVA EN LA EMPRESA TECNOLÁMINAS TECNOLÁMINAS IBG C.A Tutor Académico: Profesora María Virginia Candal Tutor Industrial: Geógrafo Rubén Soffer Jurado: Profesora Carmen Rosales Sartenejas, Noviembre de 2007 EXTRUSIÓN DE ESPUMAS DE PEBD Y MEZCLAS DE PEBD/EVA EN LA EMPRESA TECNOLÁMINAS Realizado por: Emira Mercedes Molina Cabrera RESUMEN El objetivo principal del presente trabajo se basó en el estudio de las espumas de polietileno de baja densidad (PEBD) FD-0348 y mezclas de PEBD MA-7007 con copolímero etilenvinilacetato (EVA) HM728 producidas mediante extrusión de película plana. Para las espumas de PEBD se empleó como agente espumante químico la azodicarbonamida (Porofor®), y se determinaron las variables del proceso para producir láminas de 5 mm de espesor, las cuales se definieron variando las temperaturas de la extrusora y del cabezal y velocidades del tornillo y de halado hasta obtener espumas de espesor uniforme y con una reducción de peso notable. Se determinaron las condiciones óptimas para extrudir espumas de PEBD, donde las temperaturas de la extrusora van desde 165 hasta 220ºC , la del cabezal se colocó a 195ºC, velocidad del tornillo a 40 rpm, velocidad de halado a 0,014 m/s y con una separación de rodillos de 5,4 mm. Estas espumas fueron medidas y pesadas para calcular el caudal por unidad de área de material empleado para producirla y así determinar la reducción de peso que se puede obtener gracias al empleo de este material, dando como resultado una reducción de 37%, valor que certifica que el proceso es favorable. Se comprobó que el espesor de las espumas aumenta con la velocidad del tornillo, con la separación de los rodillos y disminuye a medida que aumenta la velocidad de halado. Del mismo modo, se verificó la influencia de la temperatura y la velocidad del tornillo sobre la densidad de la espuma, y el efecto de la temperatura sobre el tamaño de las celdas. Con respecto a las mezclas de PEBD y EVA, se varió la proporción de las resinas en las láminas para determinar la influencia del copolímero en las propiedades mecánicas de las mismas, y elegir que mezcla es la más óptima para ser empleada en partes de calzado, específicamente la punta y el talón. Las mezclas EVA/PEBD estudiadas fueron las proporciones de 40/60, 50/50, 65/35 y 80/20 y mediante ensayos tensiles se comprobó, que a medida que aumenta la cantidad de EVA el producto final se vuelve más parecido a éste, obteniéndose una disminución del módulo elástico y esfuerzo de fluencia, mientras que el esfuerzo de ruptura y deformación a la fluencia aumentan su valor a medida que el porcentaje de EVA es mayor en la mezcla. Se recomendó al final del estudio utilizar para las puntas del calzado la mezcla 65/35, ya que esta zona necesita de un material que sea flexible para moldearse con facilidad, mientras que para el talón es necesario un material flexible pero más resistente a deformación, por lo tanto, se recomendó el uso de la mezcla 40/60. ii AGRADECIMIENTOS A mi tutora, la Profesora María Virginia Candal, por ser excelente profesora y una gran persona, gracias por su ayuda en todo momento y por confiar en mí. A mi tutor industrial, el Geógrafo Rubén Soffer, por abrirme las puertas de su empresa para hacer este proyecto y por brindarme todos sus conocimientos y consejos. Al Profesor Johan Sánchez, por su disposición y brindarme su ayuda. Al Ingeniero Hector Rojas, por brindarme sus conocimientos y disposición para responder todas mis dudas. Al personal de Tecnoláminas, por ayudarme y hacer mi estadía allá más divertida. A mis amigos polimerísticos Heli, Dani, Conde, Cesan, Kiri, Tutu, Joel, Eli, Beto, Ibra, Desiree, Miguel, Angélica, Rodolfo, Syra, por la gran amistad que nos une y por los buenos momentos que hemos pasamos juntos. Los quiero muchísimo. A mis amigos, Alejo, Ernesto, Freddy, Rómulo, Lisette, Yurylú, Zully, que desde el primer trimestre han sido de un gran apoyo en toda mi carrera. Gracias por estar allí cuando más los necesitaba. A mis amigos del colegio, Marcel, Andreina, María Eugenia, María Astrid, José Miguel, Elikarina, Jessica, que a pesar de los años siguen estando allí en todo momento, son los mejores amigos del mundo. A mis padres por haberme dado todo lo que necesitaba para que los años en la universidad no fueran tan difíciles. A mi hermana Paula y mis primos, por creer en mi en todo momento. A mi sobrina Valeria, por hacerme reír aunque no fuera el mejor momento. iii INDICE GENERAL RESUMEN ii AGRADECIMIENTOS iii INDICE GENERAL iv LISTA DE TABLAS vi LISTA DE FIGURAS viii CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1 CAPITULO II OBJETIVOS 3 2.1 Objetivos Generales 3 2.2 Objetivos Específicos 3 CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 4 3.1 Proceso de extrusión 4 3.1.1 Cabezales de extrusion 7 3.1.2 Variables que afectan el proceso de extrusión 8 3.2 Espumación 10 3.2.1 Agentes espumantes: 12 3.2.2 Espumas a base de poliolefinas 15 3.3 Copolimero etilenvinilacetato (EVA) 17 3.3.1 Características principales 17 3.3.2 Aplicaciones 18 3.4 ANTECEDENTES 19 3.5 JUSTIFICACIÓN 21 CAPITULO IV METODOLOGÍA 23 4.1 Materiales 23 4.1.1 Polietileno de baja densidad 1 23 4.1.2 Polietileno de baja densidad 2 24 4.1.3Polietileno de baja densidad 3 25 4.1.4 Copolímero etilen-vinilacetato (EVA) 25 4.1.5 Agente Espumante 26 iv 4.2 Equipos 26 4.3 Procedimientos 27 4.3.1 Extrusión de espumas 27 4.2.2 Productos de polietileno de baja densidad y EVA 30 4.2.3 Propiedades mecánicas de las mezclas PEBD/EVA 32 CAPÍTULO V RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.1 Extrusión de espumas de PEBD 35 35 5.1.1 Selección del agente espumante 36 5.1.2 Efecto de las variables del proceso sobre la reducción en peso de la espuma 38 5.1.3 Efecto de las variables del proceso sobre el espesor de la espuma. 48 5.1.4 Efecto de la temperatura y la velocidad del tornillo sobre la densidad de la espuma 52 5.1.5 Efecto de la temperatura sobre el tamaño de celda de la espuma 53 5.1.6 Selección de la condición óptima para hacer espumas de pebd de 5 mm de espesor 54 5.2 Efecto del copolímero eva en las propiedades mécanicas del producto final 5.1.2 Selección de la mezcla óptima para refuerzo para zapatos. CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55 61 62 6.1 Conclusiones 62 6.2 Recomendaciones 63 CAPITULO VII REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 64 APÉNDICE 67 v LISTA DE TABLAS Tabla 3.1 Propiedades del EVA en función del contenido de vinil acetato(10). 18 Tabla 4.1 Propiedades del FB-7000 (17). 24 Tabla 4.2 Propiedades del FD-0348 (18). 24 Tabla 4.3 Propiedades del MA-7007 (19). 25 Tabla 4.4 Propiedades del HM-728 (20). 26 Tabla 4.5 Propiedades del Porofor® ADC/M-C1 (21) . 26 Tabla 4.1 Condiciones para producir láminas de PEBD3/EVA 32 Tabla 5.1 Perfil de temperatura de la extrusora y cabezal para espumas PEBD. Prueba 1 39 Tabla 5.2 Condiciones empleadas para la producción de espumas PEBD. Prueba 1 40 Tabla 5.3 Perfil de temperatura de la extrusora y cabezal para espumas PEBD. Prueba 2 44 Tabla 5.4 Condiciones empleadas y porcentaje de reducción de peso obtenidos para espumas PEBD. Prueba 2 44 Tabla 5.5 Variación de la densidad de la espuma para la prueba 1. 52 Tabla 5.6 Variación de la densidad de la espuma para la prueba 2. 52 Tabla 5.7 Perfiles de temperatura para la prueba del tamaño de celda 53 Tabla 5.8 Valores del área de las celdas para cada temperatura. 54 Tabla a.1 Distribución de espesores a lo ancho de espuma de PEBD. Prueba 1 67 Tabla a.2 Distribución de espesores a lo ancho de espuma de PEBD. Prueba 2 67 Tabla b.1. %reducción de peso para cada condición. Prueba 1 69 Tabla b.2 %reducción de peso para la condición 1. Prueba 2 69 Tabla b.3 %reducción de peso para la condición 2. Prueba 2 69 Tabla b.4 %reducción de peso para la condición 3. Prueba 2 70 Tabla b.5 %reducción de peso para la condición 4. Prueba 2 70 Tabla b.6 %reducción de peso para la condición 5. Prueba 2 70 Tabla b.7 %reducción de peso para la condición 6. Prueba 2 71 Tabla c.1 Valores de la densidad de la espuma para cada condición. Prueba 1 72 Tabla c.2 Valores de la densidad de la espuma para cada condición. Prueba 2 72 Tabla e.1 Propiedades mecánicas de la mezcla 40/60. 75 vi Tabla e.2 Propiedades mecánicas de la mezcla 50/50. 76 Tabla e.3 Propiedades mecánicas de la mezcla 65/35 76 Tabla e.4 Propiedades mecánicas de la mezcla 80/20 76 vii LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Distribución de extrusora monotornillo (2). 6 Figura 3.2 Modelo Tadmor (4). 6 Figura 3.3 Tipo de cabezales de extrusión (a) Película tubular(5) y (b) Película plana(6). 7 Figura 3.4 Canales de distribución (a) T (b) Gancho (c) Cola de pescado(5). 8 Figura 3.5 Pieza obtenida por moldeo de espuma estructural(9). (9) 11 Figura 3.6 Producto obtenido por moldeo rotacional . 12 Figura 3.7 Descomposición con liberación de nitrógeno(12). 14 Figura 3.8 Descomposición con liberación de amoníaco(12). 14 Figura 3.9 Unidad repetitiva del EVA(10). 17 Figura 4.1 (a) Extrusora y (b) cabezal utilizado en la producción de espumas de PEBD. 27 Figura 4.2 Espumas de PEBD 28 Figura 4.3 Variación del color de la espuma. 29 Figura 4.4 División de las espumas. 29 Figura 4.5 (a) Troqueladora y (b) Troquel utilizado para las muestras de espumas de PEBD 30 Figura 4.6 Cabezal 1,15 m para producir láminas de PEBD/EVA. 31 Figura 4.7 Perfil de temperatura empleado en la extrusora para los productos de PEBD/EVA. 31 Figura 4.8 Perfil de temperatura empleado en el cabezal para los productos de PEBD/EVA. 31 Figura 4.9 Máquina de ensayos universales. 33 Figura 4.10 Dimensiones de las probetas ensayadas a tracción de las mezclas PEBD/EVA. 33 Figura 5.1 Tornillo desgasificador(3). 37 Figura 5.2 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a las velocidades del tornillo. 41 Figura 5.3 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a las velocidades de halado. 42 Figura 5.4 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a la separación de rodillos. 42 Figura 5.5 Comparación entre (a) condición 1 y (b) condición 2 45 Figura 5.6 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las viii condiciones 1 y 2. 46 Figura 5.7 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las condiciones 4 y 5. 46 Figura 5.8 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las condiciones 3, 4 y 6. 47 Figura 5.9 Variación del espesor con respecto a la velocidad del tornillo. 49 Figura 5.10 Variación del espesor de la espuma con respecto a la velocidad de halado. 50 Figura 5.11 Variación del espesor con respecto a la separación de los rodillos. 51 Figura 5.12 Tamaño de celda (a) Temperatura 1 (b) Temperatura 2. 54 Figura 5.13. (a) Recubrimiento de tela y (b) Tela plastificada. 56 Figura 5.14Variación del módulo elástico con respecto al porcentaje de EVA 57 Figura 5.15 Variación del esfuerzo de fluencia con respecto al porcentaje de EVA. 58 Figura 5.17 Variación del esfuerzo a la ruptura con respecto al porcentaje de EVA. 60 Figura 5.18Variación de la deformación a la ruptura con respecto al porcentaje de EVA. 61 Figura d.1 Pantalla principal del programa Partículas. 73 Figura e.1 Gráfica esfuerzo vs deformación de la mezcla 50-50 PEBD/EVA 74 ix CAPITULO I INTRODUCCIÓN El hombre contemporáneo se ha caracterizado por utilizar en su día a día materiales tales como, papel, hierro, cerámica, entre otros. En los últimos años, su interés se ha enfocado en lo que comúnmente se conoce como plástico. Los polímeros abarcan un gran mercado, que va desde la elaboración de juguetes infantiles hasta las más complicadas piezas para embarcaciones. Dichos polímeros son universales y presentan diversas propiedades capaces de sustituir diversos materiales, combinado con su bajo costo, lo cual los hace buenos candidatos para la industria ya que reducen los gastos de fabricación, y por ende, el precio final del producto. Actualmente, las empresas que trabajan con plásticos se están enfocando en obtener un mecanismo que permita disminuir los costos de fabricación, y que a su vez mejore o no altere, según sea el caso, las propiedades del material. El presente proyecto tiene como objetivo, primero el estudio de una espuma de polietileno de baja densidad (PEBD), basado en la obtención de parámetros que permitan la fabricación de láminas de espesor 5 mm, así como la reducción de su peso notable, en comparación a láminas del mismo espesor pero de otros materiales. El método de espumación de este material es mediante un agente espumante químico que al descomponerse por efecto de la temperatura libera dióxido de carbono y el material polimérico envuelve dicho gas, formando celdas dentro de la matriz polimérica. Estas espumas presentan baja densidad, baja conductividad, alto módulo de elasticidad y resistencia a compresión, y gracias a estas propiedades pueden ser utilizadas en diversos campos. El estudio de estas espumas fue llevada a cabo en la empresa Tecnoláminas IBG, siendo ésta una empresa dedicada a la producción de láminas de PEBD mezclado con otras resinas con el fin de ser utilizadas para el recubrimiento de telas que sirven de refuerzo para calzado. Es 2 importante destacar que las espumas de PEBD pueden ser empleadas en la industria del calzado como refuerzo para el zapato, en este caso se piensan utilizar en la zona que conecta la suela con el resto del calzado, haciéndolo más liviano en comparación si se utilizará otro material, por ejemplo láminas de PEBD. El segundo objetivo del presente proyecto, se basa en el estudio de las mezclas de PEBD con copolímero etilenvinilacetato (EVA). Para llevar a cabo dicho estudio, se realizaron mezclas con diferentes porcentajes de los componentes con la finalidad de producir láminas de 0,6mm de espesor, y de esta manera, encontrar la mezcla óptima cuyas propiedades se adecuen a los requerimientos que exige su uso final, que en este caso es reforzar las puntas y el talón de calzados casuales. Para la industria del calzado, la utilización de las espumas de PEBD trae como beneficio la reducción del peso del calzado, por lo tanto, se podrán fabricar zapatos livianos, los cuales resultarán más confortables para los usuarios. En el caso del EVA, el mismo es utilizado como adhesivo y recubrimientos de telas, tal y como es el caso de la empresa Tecnoláminas IBG, en donde se emplea este material para recubrir las telas tejidas o no tejidas, para luego ser transformadas en partes de calzados que sirven de refuerzos. Finalmente pero no memos importante, hay que destacar que se manejan pocos estudios así como información en general con respecto a la espumación de PEBD y a las mezclas PEBD/EVA, hecho que hace a este proyecto innovador para la industria del calzado, así como para la industria polimérica en general. CAPITULO II OBJETIVOS 2.1 Objetivos Generales - Estudiar espumas de PEBD para la aplicación en la industria del calzado. - Analizar la influencia de la cantidad de copolímero etilenvinilacetato (EVA) en las propiedades mecánicas de láminas de PEBD/EVA. 2.2 Objetivos Específicos - Determinar el perfil de temperaturas de la extrusora y las condiciones del proceso para producir espumas de PEBD de 5 mm de espesor para su aplicación en la industria del calzado. - Evaluar el porcentaje de reducción de peso en las espumas de PEBD. - Comprobar la influencia de las variables del proceso de extrusión, velocidad del tornillo, velocidad de halado y separación de rodillos en el espesor de las espumas de PEBD, para ser utilizadas en la industria del calzado. - Estudiar el efecto de la temperatura de la extrusora y la velocidad del tornillo sobre la densidad de la espuma y su tamaño de celda. - Determinar el módulo elástico, esfuerzo de fluencia y ruptura, deformación a la fluencia y ruptura de las láminas de PEBD/EVA con diferentes proporciones de resinas utilizadas en la industria del calzado. - Comparar el efecto del contenido de EVA sobre las propiedades mecánicas de diferentes mezclas de PEBD/EVA utilizadas en la industria del calzado. CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 3.1 PROCESO DE EXTRUSIÓN El principio fundamental de una extrusora es transportar el material sólido desde la tolva de alimentación hasta un cilindro caliente que contiene en su interior un tornillo que permite, calentar, plastificar, fundir y homogeneizar la resina para luego aplicar la suficiente presión para forzar al material a pasar por un cabezal. La presión necesaria depende de la geometría del cabezal, las propiedades del material fluido y la velocidad de flujo. Las extrusoras pueden ser de dos tipos: extrusora de pistón y extrusora de tornillo, donde las de pistón son usadas para materiales que presentan una alta viscosidad de fundido, como es el PTFE y el polietileno de ultra alto peso molecular, mientras que las de tornillo se usan con las mayoría de los polímeros(1-3). Las extrusoras de tornillo pueden ser de un solo tornillo o de tornillos múltiples, donde las monotornillo transportan el material desde la tolva de alimentación hasta la boquilla gracias a la fricción que existe entre el material y el tornillo. Por otra lado, las extrusoras doble tornillo se pueden clasificar según el giro de los tornillos, el cual puede ser co-rotante (misma dirección) o contra-rotantes (direcciones opuestas), y este tipo de máquina se utiliza para polímeros que sufren degradación térmica, como es el PVC, porque la fricción generada es menor que en la monotornillo, y también se emplea para el mezclado de polímeros. Pero en la industria del plástico las más empleadas son las monotornillo(2,3). Las extrusoras en general se dividen en tres zonas principales (Figura 3.1) : a) Alimentación: la función de esta zona es recibir, transportar, comprimir y precalentar el material que entra a través de la tolva de alimentación. El material es alimentado en forma de pequeños gránulos o en polvo, donde un mejor flujo de transporte se obtiene en gránulos esféricos. El avance depende de la fricción entre el material y el tornillo y a su vez el material con 5 el cilindro, donde las condiciones adecuadas se logran cuando el tornillo tiene un coeficiente de fricción pequeño (superficie lisa) así el material no se queda pegado, y el cilindro posea un coeficiente de fricción grande (superficie rugosa) para que el material avance. b) Compresión o Transición: en esta zona, los gránulos son comprimidos y eventualmente fundidos en una masa que presenta algún grado de adherencia a la superficie del tornillo y del cilindro. La fusión del material ocurre por dos fenómenos: el calentamiento del material a través de la superficie del barril y por el calentamiento por disipación viscosa debido a la fricción del material con el tornillo y el barril. La teoría de fusión fue desarrollada por Tadmor(4) que explica que la fusión comienza por la formación de una película fina de fundido entre el tapón sólido y el barril, luego dicho material por el movimiento circulatorio se acumula frente al filete formándose la piscina de fundido (Figura 3.2). Si el material que va fundiendo no es empujado hacia la piscina de fundido, el espesor de la película de fundido aumentaría y la eficiencia de la fusión disminuiría rápidamente. La presencia del tapón de sólido en contacto con el barril garantiza una plastificación continua del material. La zona de compresión debe ser diseñada no sólo para hacer más compacto el material, sino también para adaptar la variación de tamaño del canal con la velocidad de fusión y el cambio de volumen que ocurre cuando el material pasa de sólido a viscoso. Hay dos maneras de diseñar el tornillo para obtener la zona de compresión, una consiste en disminuir la profundidad del canal y otra manera es disminuir gradualmente el paso del filete manteniendo constante la profundidad del canal. c) Dosificación: en esta zona el material se encuentra totalmente plastificado y se debe aplicar la presión necesaria para hacerlo pasar por el cabezal de extrusión. En esta zona la profundidad del canal se mantiene constante y es relativamente pequeña, y por estar el material en estado fundido se pueden realizar ciertas suposiciones para poder calcular el caudal, potencia y 6 eficiencia de la extrusora, entre ellas están: a) el tornillo se mantiene estático y el barril en movimiento, b) flujo laminar y completamente desarrollado, c) se considera el canal tipo ranura. El transporte del material, en esta zona, se debe a la adhesión de la masa fundida al cilindro y al tornillo, denominado caudal por arrastre y existe un flujo contrario debido a las restricciones del cabezal, llamado caudal de presión. El caudal de salida se ve influenciado principalmente por la geometría del tornillo, variables del proceso y también por las propiedades del material extruido. Figura 3.1 Distribución de extrusora monotornillo (2). Figura 3.2 Modelo Tadmor (4). 7 3.1.1 CABEZALES DE EXTRUSION El cabezal de la extrusora es la pieza que le da forma al material extruido. El objetivo más importante del cabezal es distribuir el material fundido por el canal de flujo para que salga a una velocidad uniforme. El tamaño y forma de la boquilla no es exactamente el mismo que la del extruido final debido a los siguientes factores (3): - Hinchamiento de material: esto ocurre al salir de la boquilla, se debe por la naturaleza elástica del plástico fundido y es resultado de la relajación de los esfuerzos que imparte el cabezal al material. El hinchamiento es determinado por la forma de la boquilla, propiedades del material fundido, la velocidad de flujo y la temperatura. - Contracción: ocurre por enfriamiento brusco del material al salir de la boquilla, lo cual produce un aumento en la densidad del plástico y por lo tanto, reduce el tamaño del producto extruido. Los materiales semicristalinos se contraen más que los amorfos, debido a que los primeros poseen regiones de mayor densidad que los segundos. - Relajación: es la reducción gradual del esfuerzo interno resultado de los cambios dentro del material. Por lo tanto, el material final tiene un menor tamaño. Hay diferentes tipos de cabezal (Figura 3.3), según la forma del producto final. Para la extrusión de película tubular se le da la forma al material fundido a través de una sección anular con el fin de obtener el extruido en forma de tubo. En cambio para la extrusión de película plana el material fundido es moldeado a través de un cabezal plano tipo ranura (1) Figura 3.3 Tipo de cabezales de extrusión (a) Película tubular(5) y (b) Película plana(6). 8 El cabezal de película plana presenta diferentes diseños de canales de distribución de flujo o “manifolds” entre los cuales están (Figura 3.4): T, cola de pescado y gancho. El tipo T se utiliza para materiales que presentan baja viscosidad y no son susceptibles a la degradación ya que presenta un tiempo de residencia tres veces mayor al de tipo gancho. También este tipo de cabezal no presenta la distorsión llamada desconchado de almeja, que es la separación de los labios del cabezal resultado de la presión interna que genera el plástico. El canal de distribución tipo cola de pescado produce un flujo direccional y no es susceptible al desconchado de almeja, mientras que el tipo gancho si es susceptible a esta distorsión y produce una caudal constante por unidad de ancho (2,7). Figura 3.4 Canales de distribución (a) T (b) Gancho (c) Cola de pescado(5). El enfriamiento de la película se hace por medio de un baño de agua (quenching) o por medio de rodillos refrigerados (chill roll). Las variables que influyen en las propiedades de la película son: velocidad de halado, temperatura de enfriamiento de los rodillos, perfil de temperatura, abertura de los rodillos e índice de fluidez(7). 3.1.2 VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO DE EXTRUSIÓN El proceso de extrusión es afectado tanto por las propiedades del material como de las variables correspondientes al proceso en si. Para cada una de las zonas son distintas las variables que afectan el proceso(1,4): a) Zona de Alimentación: a.1) Fricción del material y el metal: mientras mayor sea la fricción del barril y menor la del tornillo con respecto al polímero, mejor será el transporte del material hacia la otra zona. 9 a.2) La forma y tamaño de partículas: a medida que el material tenga menor tamaño más difícil será el transporte del mismo, y a la vez un mejor flujo de transporte sólido se obtiene en gránulos esféricos. b) Zona de Compresión b.1) Caudal: un incremento en el flujo másico ocasiona un alargamiento de la zona de fusión, lo que produce un deterioro en la homogeneidad del material plastificado y quizás no totalmente fundido. Si se quiere aumentar el caudal sin que se afecte la longitud de la zona de plastificación se debe incrementar la velocidad de rotación y aumentar la presión. b.2) Velocidad de rotación: al aumentar la velocidad de rotación del tornillo incrementa la cantidad de disipación viscosa y la velocidad de fundido y disminuye la longitud de la zona de fusión, por lo que se produce deterioro en la calidad del material. b.3) Temperatura del barril: elevada temperatura del barril produce un aumento en la transferencia de calor barril-polímero, lo que implica un aumento en la temperatura promedio de la película de fundido y produce una reducción en la viscosidad del fundido. El calor por disipación viscosa disminuye por lo que la velocidad de fusión tiende a disminuir. b.4) Precalentamiento del polímero sólido: un precalentamiento de los gránulos disminuye el calor requerido para fundirlos, por lo tanto, la velocidad de fusión aumenta. b.5) Profundidad de barril: a un caudal y rotación de tornillo constante, al disminuir la profundidad del barril existe mayor contacto del tapón sólido con el barril, por lo que aumenta el calor por disipación viscosa y trae como consecuencia un aumento en la velocidad de fusión. b.6) Paso del tornillo: a medida que disminuye el paso, el ancho del canal también disminuye por lo que el área de contacto con el metal es menor y el material tarda más en fundir, lo que implica una mayor longitud de fusión y un retardo en el proceso. b.7) Número de hélices: al aumentar el número de hélices, aumenta la superficie de contacto y la velocidad de fusión, pero también disminuye la longitud de fusión obteniéndose un material de baja calidad. b.8) Tolerancia filete-barril: a mayor tolerancia, la fusión es menos efectiva y la longitud de la zona de fusión aumenta. 10 c) Zona de Dosificación: a menor profundidad del canal y a mayor L/D, mayor será la variación de presión y por lo tanto, mayor será la homogeneidad del producto. 3.2 ESPUMACIÓN En materiales poliméricos, la espumación es una de las modificaciones que ha surgido en los últimos años, que han permitido crear productos para diversas aplicaciones como flotabilidad, aislamiento eléctrico, embalaje, entre otro. Existen diversos tipos de procesos para espumar materiales plásticos, entre los cuales se encuentran(8,9): a) Extrusión con Espumado Químico: durante el proceso de extrusión con espumado químico, la resina plástica y los agentes de espumado químico se mezclan y se funden. El agente de espumado químico se descompone, liberando gas que se dispersa en el polímero fundido y se expande cuando sale del cabezal. Las extrusiones de perfiles espumados requieren de un enfriamiento más intenso que los perfiles sólidos debido a las propiedades de aislamiento de la estructura espumada. Mediante este proceso se pueden obtener láminas para aislamiento para paredes, para refuerzos para botas de seguridad, cinturones de seguridad, etc. b) Extrusión Directa de Gas: en la extrusión por gas directo, gases como nitrógeno, carbono bióxido, pentano, butano, etc. son inyectados a alta presión o directamente dentro del fundido de polímero. En este proceso, agentes de espumado químico son usados para nuclear la espuma. Esto resulta en una estructura celular más fina y uniforme a partir de la expansión del gas inyectado. Mediante este proceso se pueden fabricar los mismos productos que por espumación química, sólo que tendrán una estructura diferentes, en este caso más uniforme, por lo tanto, sus propiedades son mejores. c) Moldeo de Espuma Estructural: es un proceso que emplea la inyección de plásticos a baja presión para formar grandes piezas. Un gas se introduce dentro del fundido por inyección directa o por un agente químico de espumado. El gas permanece disuelto en el fundido mientras la mezcla está bajo presión. A medida que la mezcla se inyecta dentro del molde la presión es reducida, permitiendo que el gas se expanda dentro del polímero. Se pueden obtener desde paletas hasta piezas más complicadas (Figura 3.5) 11 Figura 3.5 Pieza obtenida por moldeo de espuma estructural(9). d) Moldeo por Co-inyección: permite la inyección de dos plásticos distintos. Una unidad de inyección dispara un plástico sólido, y la otra un plástico que contiene un agente de espumado químico. La etapa de inyección de plástico sólido empieza inmediatamente antes de la etapa de plástico espumada, haciendo que el plástico espumado se mueva hacia adentro del material sólido. El producto final exhibe una piel sólida con un núcleo espumado. e) Moldeo rotacional: es un proceso de 2 etapas. En primer lugar el polímero base se introduce para fundirlo y así se pegue a las paredes del molde. Luego se abre y se añade el polímero con el agente espumante. Mientras el molde sigue rotando, los materiales se mezclan y ocurre la espumación, obteniéndose un producto con una distribución tipo sándwich: sólidoespuma-sólido (Figura 3.6). 12 Figura 3.6 Producto obtenido por moldeo rotacional(9). f) Moldeo por compresión: el producto se comprime y se expande cuando el molde es abierto y la presión se libera. Este tipo de proceso se utiliza para la fabricación de pisos acolchados, suelas y sandalias. 3.2.1 AGENTES ESPUMANTES: Los agentes espumantes son compuestos orgánicos o inorgánicos los cuales liberan un gran volumen de gases como resultado de una descomposición térmica a temperaturas elevadas. Dichos agentes deben estar homogéneamente distribuidos dentro del fundido para generar el efecto espumado, dentro del tornillo de la extrusora y/o la inyectora, y deben estar sometidos a alta presión. Una vez que el fundido con el agente espumante disuelto sale hacia el molde o por el cabezal, la caída en presión genera el crecimiento de células o poros, que generan el efecto de reducción en densidad (9,10). Los agentes espumantes deben cumplir ciertas condiciones(10): - No deben formarse gases ni subproductos explosivos. - Deben ser no tóxicos - Es necesario que no sean corrosivos o químicamente activos con los moldes, inyectoras, extrusoras, ni con el polímero y demás aditivos incorporados a la mezcla. 13 - Se debe dispersar bien con el polímero base - Su descomposición debe hacerse a temperaturas adecuadas para que no existan pérdidas de gases producidas antes y después de la expansión. - Los subproductos no deben perjudicar las propiedades finales del producto espumado. Por otro lado, existen dos tipos de agentes(9,11): a) Agente Espumante Físico (PBA): son gases que son inyectados a alta presión directamente dentro del polímero fundido, los cuales se expanden al retornar a la presión atmosférica. Estos gases pueden ser: nitrógeno, dióxido de carbono e isobutano. También se utilizan líquidos volátiles como el pentano o agua que expanden por medio del calor y produce un gran volumen de vapor. El problema que posee este tipo de agentes es el control de los parámetros de presión y/o temperatura; para encontrar el balance eficiente entre la presión de gas y la viscosidad del polímero base. Una baja viscosidad produce el colapso de la celda, mientras que una alta viscosidad previene el crecimiento de la burbuja de gas. b) Agente Espumante Químico (CBA): son sustancias químicas que se descomponen al ser calentadas, y generan gases como nitrógeno y dióxido de carbono que se dispersan a través del fundido de polímero. Este tipo de agentes se clasifican según su descomposición: b.1) Endotérmicos: son agentes espumantes inorgánicos que absorben calor del medio y producen CO2 gaseoso al descomponerse. Este tipo de agentes producen espumados con una estructura de celda más pequeña, resultando una espuma con una apariencia mejor y mejores propiedades físicas. En consecuencia, sus productos terminados son más resistentes, pesan menos y tienen mejor apariencia superficial. b.2) Exotérmicos: son agentes orgánicos que liberan energía durante el proceso de descomposición, liberando nitrógeno gaseoso. Liberan más presión de gas y más gas por gramo de agente espumado que los agentes endotérmicos. El agente químico más utilizado es la azodicarbonamida, agente espumante exotérmico con una temperatura de descomposición alrededor de 210ºC. Al iniciar la descomposición ésta es autocatalizada y puede tomar dos vías, en una se libera nitrógeno y en la otra vía se libera amoníaco. En las figuras 3.7 y 3.8 se muestran los mecanismos de descomposición del azodicarbonamida(12). 14 Figura 3.7 Descomposición con liberación de nitrógeno(12). Figura 3.8 Descomposición con liberación de amoníaco(12). 15 3.2.2 ESPUMAS A BASE DE POLIOLEFINAS Las poliolefinas espumadas correctamente presentan una estructura de pequeñas celdas regulares. Por eso, cuenta con una gran capacidad de aislamiento del sonido y del calor, y con unas excelentes propiedades de absorción de los golpes. Sectores como la construcción, el embalaje y la automoción, así como los fabricantes de artículos para el ocio y la práctica deportiva sacan partido a las ventajas de estas excelentes propiedades. Las propiedades físicas tan versátiles de las espumas a base de poliolefinas abren nuevas posibilidades en el ahorro de peso y energía. Esta idea coincide con la tendencia general en las sociedades modernas de fabricar más productos con menos materia prima (13). Las espumas de poliolefinas ofrecen(14): - Excelentes propiedades de aislamiento debido a su conductividad térmica muy baja - Buena retención de forma - Buena resistencia a la absorción de humedad - Elasticidad - Amortiguación - Capacidad de filtración aire/agua - Baja densidad, bajo peso - Resistencia agentes químicos y derivados del petróleo - Flotabilidad - Altos y bajos espesores - Capacidad de autoadhesiva - Capacidad de recuperación a la compresión - Capacidad electroestática y conductividad - Resistencia a la tracción. Se pueden fabricar diferentes espumas poliolefinicas, con tan sólo cambiar el material de la matriz polimérica de la espuma. Dependiendo del material base se obtienen distintas propiedades: densidad, resistencia a impacto, aislamiento térmico y/o acústico, etc. Se pueden producir 16 espumas de polietileno reticulado y no reticulado, poliestireno, polipropileno, PVC y espumas de poliuretano: a) Espumas de polietileno reticulado: para su espumación se utiliza una reacción química con la ayuda de catalizadores, o bien se expone la base del producto a radiaciones de fuentes de energía altas como los rayos gamma. Generalmente, se obtiene una familia de espumas de polietileno de celda cerrada y pequeña con buena resistencia a la temperatura y a los rayos ultravioletas, pero difícilmente reciclables. Su densidad varía desde 15 a 330 Kg/m3. Se pueden fabricar en distintos colores. Poseen buena aplicación autoadhesiva (facilitando su colocación) y su baja toxicidad los hacen adecuados para la fabricación de piezas para el ocio, juguetería, promoción, etc. b) Espumas de polietileno no reticulado: para obtener este tipo de espuma se utiliza un gas hinchante, normalmente isobutano. Se consigue un polietileno expandido manteniendo su estructura química y así facilitar su reciclaje. Posee densidades desde 24 a 140 Kg/m3 y alta capacidad de recuperación frente a posible impactos. Se pueden hacer diseños con el mínimo volumen posible. Es un material 100% reciclable, antiestático y retardante a la llama. c) Espumas de poliestireno: se obtiene mediante un proceso de polimerización del estireno con adición de pentano, obteniendo un material espumado con millones de finas células rellenas de aire, casi el 98% del volumen es aire. Su densidad va desde 10 hasta 30 Kg/m3. Posee buena absorción al primer impacto, reciclable y excelente aislante térmico, buena resistencia a la compresión y a la humedad. d) Espumas de polipropileno: se fabrica por expansión del material virgen en un molde. Se obtiene una espuma de baja densidad, flexible y de celda cerrada. Sus densidades se encuentran entre de 15 y 25Kg/m3. Son fabricadas por extrusión. Poseen gran capacidad de absorción de impactos, excelente resistencia a la temperatura (+130ºC) y baja conductividad térmica. e) Espumas de polivinilcloruro: su densidad va desde 120 a 200 Kg/m3. Por su composición presentan un buen grado de autoextinguibilidad incluso a bajos espesores. Por su elevada densidad y estructura celular presentan un buen comportamiento de aislamiento acústico. Poseen una baja resistencia a la compresión y una buena recuperación de sus espesores tras una 17 compresión. f) Espumas de poliuretano: estas espumas son generalmente de celdas abiertas, con baja resistencia a la compresión y de rápida recuperación. Su densidad va desde 20 Kg/m3 y se utilizan tanto para filtración de aire como de agua, ya que se fabrica con control del tamaño de la celda por micrones. Las propiedades de cualquier espuma dependen de la densidad y propiedades mecánicas del polímero base, la estructura celular de la celda abierta, tamaño y forma de la celda, tamaño de la distribución y espesor de la membrana. Por otro lado, la densidad de la espuma es afectada por el tipo de polímero base, concentración del agente espumante, por las condiciones y la técnica del proceso de fabricación (15). 3.3 COPOLIMERO ETILENVINILACETATO (EVA) 3.3.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Este tipo de material se obtiene con la reacción del monómero etileno y vinil acetato. Su unidad repetitiva se muestra a continuación: * CH2 CH2 x CH2 CH O COCH3 y n Figura 3.9 Unidad repetitiva del EVA(10). Sus propiedades físico-químicas dependen del contenido de vinil acetato, ya que el polietileno es un polímero termoplástico parcialmente cristalino pero al introducir en su 18 estructura un monómero flexible como es el vinil acetato aumenta la distancia entre cadenas provocando una disminución en la cristalinidad y más flexibilidad. La disminución de la cristalinidad también produce un aumento en la resistencia a la ruptura en frío y disminuye la resistencia a la tensión y el punto de reblandecimiento(10). La temperatura de transición vítrea (Tg) está relacionada con los movimientos rotacionales que experimenta la fase amorfa a cierta temperatura. Al aumentar la cantidad de vinil acetato, se produce un aumento en la distancia entre cadenas, disminuyendo los impedimentos estéricos y haciendo más flexible la cadena, por lo tanto, la Tg tiende a disminuir. Otras propiedades también son afectadas por el aumento del contenido de vinil acetato(8), como se puede observar en la tabla 3.1. Tabla 3.1 Propiedades del EVA en función del contenido de vinil acetato(10). A mayor % de vinil acetato Aumenta Transparencia Flexibilidad Compatibilidad con otros polímeros Aceptación de cargas Adhesión Coeficiente de fricción Permeabilidad Densidad Disminuye Cristalinidad Rigidez Punto Fusión Punto reblandecimiento Aislamiento eléctrico Resistencia a la ruptura Resistencia química Dureza 3.3.2 APLICACIONES El copolímero EVA dependiendo del contenido de vinil acetato puede emplearse en diversas aplicaciones, como por ejemplo EVA con 2 a 10% de vinil acetato se utiliza para moldeo por inyección, con 5% o menos para moldeo de película tubular y de 15 a 30% para moldeo por extrusión. Por otro lado, con un contenido de 3 a 20% de vinil acetato se pueden fabricar juguetes flexibles, suelas de calzado, sandalias, chalecos salvavidas, en otros. Para aplicaciones de 19 adhesivos y recubrimientos se emplea un EVA con 15 a 40%, siendo el de 28% el más utilizado; y para aplicaciones como caucho se utiliza el copolímero con un contenido de 45-55% de vinil acetato. Para películas que necesitan resistencia al impacto, buenas propiedades a bajas temperaturas y estiramiento se utiliza 6 a 12% de vinil acetato y para láminas para coextrusión se emplea EVA de 15 a 18% de contenido de vinil acetato(8,10). 3.4 ANTECEDENTES Hoy en día, el mundo del plástico ha crecido notablemente al igual que la tecnología, por lo que es necesaria la creación de productos que puedan satisfacer las necesidades del cliente y a la vez que sea económica su producción. Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo la producción de espumas de PEBD de 5 mm de espesor, las cuales deben tener un peso menor a cualquier otro producto del mismo material e igual dimensión y ofrecen las propiedades esenciales para su uso. También se desea encontrar el porcentaje óptimo que se debe agregar del copolímero EVA al PEBD para obtener las propiedades óptimas para el uso final de este producto. Para entender estos materiales y poder analizar mejor los resultados que serán obtenidos, fue necesario primero investigar en distintas referencias bibliográficas que contuvieran información referente a estos temas. A continuación se mencionan algunos de los trabajos que contribuyeron al estudio de este proyecto. Sims y Mahapatro(15) investigaron la relación que hay entre la estructura, el proceso y las propiedades de las espumas de polietileno. Ellos utilizaron PEBD Stamylan 1808, peroxido de dicumilo como agente entrecruzante y el agente espumante dela casa comercial Bayer AG basado en azodicarbonamida. Ellos, mencionan que las propiedades de la espuma dependen de la concentración tanto del agente espumante como del entrecruzante, además de las temperaturas de procesamiento. Luego de sus ensayos concluyeron que la densidad de la espuma se aumenta con la disminución de la temperatura de descomposición, atribuido a dos efectos: disminución de la presión de gas y el aumento de la resistencia del polímero fundido. También indicaron que la densidad de la espuma se reduce con el aumento de la concentración de agente espumante. Con respecto a la concentración de agente entrecruzante, a medida que aumenta la cantidad de 20 peróxido, aumenta el módulo elástico, los esfuerzos y disminuye la deformación máxima. A medida que aumenta la temperatura de ensayo, el módulo elástico disminuye. Por otro lado, Sempere(10) que estudió el proceso de reticulación y espumación de formulaciones de EVA y polietileno. Utilizó un PEBD y un copolímero EVA con 18% de acetato de vinilo, los dos materiales de la casa comercial Repsol. Como agente reticulante utilizó peróxido y de agente espumante Azodicarbonamida. Realizó varias formulaciones combinando PEBD con los dos agentes y el EVA de la misma manera, como también PEBD-EVA- agente reticulante o agente espumante para observar los efectos sobre las propiedades del producto final. Los resultados que obtuvo fueron que la presencia del agente espumante no afectó la temperatura de fusión ni degradación de los polímeros, pero con respecto a la densidad se obtuvo una disminución a medida que aumenta el grado de espumado. En las mezclas con los polímeros, la descomposición de azodicarbonamida se retrasa a temperaturas mayores con respecto al la azodicarbonamida puro, debido a la influencia de la matriz polimérica, pero dicha temperatura se reduce al aumentar la concentración del agente espumante. El agente reticulante tiene el efecto de aumentar la viscosidad y el peso molecular, debido al entrecruzamiento. Las muestras que están reticuladas presentan temperaturas de fusión menor a las muestras no reticuladas debido a la disminución del carácter cristalino que presenta el polímero entrecruzado. Otro proyecto es el de de Barros(16) en donde se estudió las relaciones entre densidad, estructura celular y propiedades mecánicas de materiales poliméricos espumados, que están compuestos de 30% de fibra de vidrio y el resto de matriz polimérica de PP. Este proyecto utilizó tres distintos tipos de polipropileno como son el PP 050G1E, PG-340 AT NATURAL y TWINTEX G 75 2 BF, y utilizó diferentes agentes espumantes químicos: HIDROCEROL HK 40 B y EXPANCEL 095 y 098 MBX 120. Primero se procesó el PP PG-340 con los dos primeros agentes espumantes para encontrar el perfil óptimo de temperatura, para luego comparar las densidades y estructura celular, en donde se encontró que el agente que da menor densidad es el EXPANCEL 095. También estudió el efecto de la fibra de vidrio en el espumado, dando como resultado que las fibras de vidrio refuerzan el material espumado aumentando sus propiedades pero también la densidad. Con respecto al tamaño de fibra de vidrio, al presentar fibras largas 21 como las que posee el TWINTEX, se obtiene mayor refuerzo por lo que se obtienen espumas con módulo y esfuerzo a la ruptura, y a su vez con mayor densidad. Por otro lado, Biron (11) en su estudio explica el significado de una espuma, así como las maneras que pueden crearse las celdas dentro de la matriz polimérica. Explica que existen dos tipos de agentes espumantes, químicos y físicos y las características de los agentes químicos, resaltando que el más utilizado es la Azodicarbonamida. Este agente es exotérmico, se descompone a 214ºC y desprende tanto nitrógeno como amoníaco en una reacción autocatalizada. 3.5 JUSTIFICACIÓN Tras la búsqueda de materiales innovadores, la empresa Tecnoláminas IBG propuso para la presente pasantia el estudio de dos tipos de materiales, cuyo destino final será la industria del calzado. Dicho estudio, estuvo enfocado en las propiedades de las espumas de PEBD y mezclas de PEBD/EVA, las cuales serán utilizadas para el reforzamiento de zapatos. Trabajar con las espumas de PEBD trae como beneficio, el hecho de producir láminas de un alto espesor, en este caso 5 mm, y con un peso inferior a láminas producidas con otra resina y del mismo calibre. Para la industria del calzado es fundamental fabricar zapatos que sean cómodos, resistentes y a la vez livianos, hecho que se garantiza, al incluir las espumas en el ensamblaje del zapato. Por otra parte, el copolímero EVA es un material muy versátil, que puede ser utilizado como adhesivo y a su vez para fabricar suelas de calzado. En este proyecto se estudió la influencia de este material en las propiedades mecánicas de mezclas PEBD/EVA, con el fin de obtener el grado óptimo que permite el reforzamiento de las puntas y talones de los zapatos. Es importante destacar que el presente estudio beneficiará a la empresa de gran forma, puesto que le permitirá competir fuertemente en la industria del calzado utilizando materiales que involucran reducción de peso, mejora en propiedade mecánicas y en costos, lo cual es importnate 22 para la aplicación final. La empresa Tecnoláminas tiene previsto comercializar las espumas de PEBD, así como el desarrollo de espumas de EVA, las cuales se caracterizan por presentar mayor flexibilidad y a la vez menor peso que las de PEBD, hecho que favorece a la industria del calzado. Este proyecto representa la base para el estudio, producción y comercialización de materiales innovadores y de alta calidad, que beneficia tanto a la industria del calzado, como a la industria polimérica en general. CAPITULO IV METODOLOGÍA En este capítulo se dará toda la información técnica de los materiales utilizados para este proyecto, así como la descripción de la extrusora empleada y los perfiles de temperatura empleados para cada muestra. En este trabajo se estudiaron dos tipos de materiales, como son espumas de polietileno de baja densidad (PEBD) y mezclas de PEBD con copolímero etilenvinilacetato (EVA). 4.1 MATERIALES Para este proyecto es necesaria la utilización de varias resinas, en este caso tres tipos de PEBD, un agente espumante y un copolímero EVA. Para las espumas se emplearon dos PEBD uno para hacer la mezcla base (PEBD 1) y el otro para hacer el producto final (PEBD 2). También se utilizó un agente espumante químico exotérmico, para proporcionar la espumación. El tercer PEBD utilizado (PEBD3) fue en las mezclas con el copolímero EVA con un porcentaje específico de acetato de vinilo, en este caso de 28%. 4.1.1 POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD 1 Es un polietileno ramificado de grado extrusión, que puede ser utilizado para termoencogibles de alta resistencia y transparencia, sacos industriales transparentes, fundas protectoras y películas para la agricultura. Posee excelente procesabilidad, propiedades mecánicas y transparencia. El intervalo de temperaturas de extrusión recomendadas son de 160 a 210°C y no posee ningún aditivo. Es fabricado por la empresa Poliolefinas Internacionales C.A (POLINTER) y su nombre comercial es Venelene FB-7000. En la tabla 4.1 se presentan las propiedades más importantes de este polietileno. 24 Tabla 4.1 Propiedades del FB-7000 (17). Propiedad Índice de Fluidez (190/2,16) Densidad Resistencia al Impacto* Resistencia a la penetración* Tenacidad* Esfuerzo a la ruptura* Deformación a la ruptura* Desgarre Elmendorf* *Estas propiedades son evaluadas en películas de 100 µ (1) Dirección longitudinal (2) Dirección trasversal Método (ASTM) Unidad D1238 D792 D1707 D3420 D882 D882 D882 D1922 g/10min g/cm3 KJ/m g MPa MPa % g Valor DE(1) DT(2) 0,80 0,92220 29 1100 40 60 23 18 200 520 400 150 4.1.2 POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD 2 Este polietileno ramificado es de grado extrusión. Se emplea en bolsas en general, películas para empacado automático, soplado de botellas y juguetes. Tiene excelente procesabilidad, transparencia y brillo. Su intervalo de temperaturas para extruir es de 120 a 190ºC. Posee agentes antioxidante, deslizante y antibloqueo. Es producido por la empresa Poliolefinas Internacionales C.A (POLINTER) y su nombre comercial es Venelene FD-0348. En la tabla 4.2 se observan las características principales de este material. Tabla 4.2 Propiedades del FD-0348 (18). Propiedad Índice de Fluidez (190/2,16) Densidad Resistencia al Impacto* Resistencia a la penetración* Tenacidad* Esfuerzo a la ruptura* Deformación a la ruptura* Desgarre Elmendorf* *Estas propiedades son evaluadas en películas de 100 µ (1) Dirección longitudinal (2) Dirección trasversal Método (ASTM) Unidad D1238 D792 D1707 D3420 D882 D882 D882 D1922 g/10min g/cm3 KJ/m g MPa MPa % g Valor DE(1) DT(2) 3,55 0,9210 27 950 28 52 23 14 175 550 550 160 25 4.1.3 POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD 3 Esta resina es de grado inyección y puede utilizarse en aplicaciones como artículos de uso domésticos, flores, plantas y pinos artificiales y como base para concentrados de aditivos y pigmentos. Posee excelente procesabilidad y alta flexibilidad, su temperatura de procesamiento va de 160 a 180ºC y contiene agentes antioxidantes. Es producido por la empresa Poliolefinas Internacionales C.A (POLINTER) y su nombre comercial es Venelene MA-7007. En la tabla 4.3 se encuentran las especificaciones de este tipo de material. Tabla 4.3 Propiedades del MA-7007 (19). Propiedad Índice de Fluidez (190/2,16) Densidad Módulo en flexión Esfuerzo en flexión a 5% de deformación Esfuerzo de ruptura en tensión Deformación a la ruptura Resistencia al impacto Gardner Temperatura VICAT Método (ASTM) D1238 D792 D790 D790 D638 D638 D5420 D1525 Unidad g/10min g/cm3 MPa MPa MPa % KJ/m ºC Valor 67 0,9150 100 5 10 >400 6 83 4.1.4 COPOLÍMERO ETILEN-VINILACETATO (EVA) Esta resina es producto de la empresa POLITENO, su nombre comercial es HM 728 es un material semi-amorfo con alto contenido de acetato de vinilo, mediano peso molecular y compatibilidad con otras resinas y mezclas con termoplásticos. Su principal característica se basa en mejorar la resistencia al impacto, fragilidad a baja temperatura así como impartir flexibilidad. Del mismo modo se utiliza en aplicaciones como adhesivos gracias a su alta compatibilidad con ceras, parafinas y agentes de pegado, promoviendo flexibilidad y adhesividad. Por último, pero no menos importante, se emplea en productos inyectados o extrudidas que necesiten resistencia al agrietamiento, flexibilidad y resiliencia para su uso final. propiedades más importantes de esta resina. En la tabla 4.4 se observan las 26 Tabla 4.4 Propiedades del HM-728 (20). Propiedad Índice de Fluidez (190/2,16) Densidad Porcentaje de acetato de vinilo Dureza ESCR Deformación a la ruptura Temperatura de ablandamiento Temperatura VICAT Método (ASTM) D1238 D792 Politeno D2240 D1693 D638 D3236 D1525 Unidad g/10min g/cm3 % Shore A h/F50 % ºC ºC Valor 6 0,95 28 80 >300 >400 135 83 4.1.5 AGENTE ESPUMANTE Para seleccionar el agente espumante, se tomó en cuenta el tipo de maquinaria y su proceso. En este caso, se eligió un agente espumante químico exotérmico, como lo es la azodicarbonamida. Este agente es de la empresa BAYER y de la marca POROFOR®. En la tabla 4.5 se muestran las especificaciones de este tipo de agente espumante. Tabla 4.5 Propiedades del Porofor® ADC/M-C1 (21). Propiedad Contenido de Azodicarbonamida Temperatura de descomposición Tamaño de particula Contenido de gas (volumetría a T=210ºC en DOP) Densidad Método Bayer 107D KA 13p POR 41 Unidad % ºC µm Valor 99,1 214 4,5 PAD 14 ml/g 228 DIN ISO 787 3 g/cm 1,65 4.2 EQUIPOS Para la producción de las espumas de PEBD y las láminas de PEBD/EVA se necesitaron equipos para realizar las mezclas, para fabricar la lámina en si y para realizar los ensayos mecánicos, los cuales fueron: • Extrusora marca AMUT tipo IMPIANTO FOGLIA 1400 con un diámetro del tornillo 120mm, L/D de 28:1, velocidad del tornillo máxima de 90 rpm; con un cabezal de 0,90 m de ancho, canales de distribución tipo gancho y separación de labios de 10 27 mm. • Mezcladora con una capacidad total de 600 Kg. • Troqueladora marca Compori modelo 13043. • Equipo de ensayos universales marca LLOYD Instruments modelo EZ 20. • Macrolupa marca Olympus modelo SZ 61. • Balanza. • Calibrador. 4.3 PROCEDIMIENTOS 4.3.1 EXTRUSIÓN DE ESPUMAS Para las espumas de PEBD se empleó una extrusora con un cabezal de película plana (Figura 4.1). En primer lugar, se necesitó determinar el perfil de temperatura, la velocidad del tornillo y la velocidad de halado, para producir las espumas, ya que estos datos eran desconocidos por la empresa. Estas variables se definieron mediante la variación de las temperaturas de la extrusora y del cabezal, comenzando con unas temperaturas base donde se garantice la extrusión de las espumas de PEBD. ( a ) ( b ) Figura 4.1 (a) Extrusora y (b) cabezal utilizado en la producción de espumas de PEBD. Primero se realizó la mezcla correspondiente para la producción de espumas, la cual consta de 2 etapas. En la primera etapa se realizó un compuesto formado por 60% de PEBD FB-7000, 28 20% de Porofor® y 20% de CaCO3 en polvo. Este compuesto se mezcló en un bambury, el cual se encontraba en otra industria, debido a que en la empresa Tecnoláminas no se cuenta con el equipo necesario. En la segunda etapa el compuesto ya pelletizado, se mezcló con 90% de PEBD FD-0348, esto se realizó en la mezcladora de la empresa Tecnoláminas. Luego este material fue extrudido para obtener las espumas (Figura 4.2). Espesor Figura 4.2 Espumas de PEBD Es importante destacar que por medio de las referencias bibliográficas se determinó a cuales temperaturas podría trabajar la extrusora. Para la zona de alimentación la temperatura debe garantizar el transporte del material pero sin que el agente espumante se active. En la zona de compresión, la temperatura tiene que ser suficiente para fundir el polímero base. Finalmente, para la zona de dosificación, la temperatura tiene que garantizar la descomposición del agente espumante. Con respecto al cabezal se colocó a una temperatura menor a la zona de la boquilla, para garantizar el enfriamiento de la espuma. Las temperaturas de la extrusora se fueron variando hasta obtener espumas de color crema, ya que esto indica que el agente espumante alcanzó su descomposición total. En la figura 4.3 se observa el cambio de color debido a las variaciones de temperatura. 29 Figura 4.3 Variación del color de la espuma. Luego se variaron las velocidades del tornillo, comenzando por 32 rpm hasta llegar hasta 42 rpm. La velocidad de halado fue desde 0,020 a 0,015 m/s y la separación de los rodillos se varió desde 2,5 hasta 4,2 mm. Los valores seleccionados para la segunda prueba se tomaron gracias a los resultados obtenidos en la reducción de peso y por el aspecto del material final. En las segundas pruebas se seleccionaron los parámetros definitivos para la extrusión de espumas de PEBD de 5 mm de espesor. Para la primera prueba se dividieron las espumas en 14 zonas (Figura 4.4), para así medir el espesor con el calibrador a lo ancho de la misma. Estas espumas fueron pesadas en la balanza y medidas para realizar los cálculos del porcentaje de reducción de peso y densidad de la espuma. Figura 4.4 División de las espumas. Para la segunda prueba cada lámina expandida fue troquelada (Figura 4.5(a)) para poder facilitar el cálculo del porcentaje de reducción de peso. Estas se troquelaron con una dimensión 30 de 10x10cm (Figura 4.5(b)) y espesor definido, para luego ser pesadas y realizar los cálculos respectivos. Se observaron las muestras en la macrolupa y se tomaron fotos, para así observar el tamaño de celda en la espuma. (a) (b) Figura 4.5 (a) Troqueladora y (b) Troquel utilizado para las muestras de espumas de PEBD 4.2.2 PRODUCTOS DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD Y EVA Para este tipo de material se utilizó la misma extrusora que para la fabricación de las espumas, pero con un cabezal de 1,15 m de ancho y con un canal de distribución tipo gancho (Figura 4.6). Para este producto estaban previamente definidos los parámetros de la extrusora empleados para su fabricación. En las figuras 4.7 y 4.8 se muestran el perfil de temperatura de la extrusora y del cabezal empleado para este producto. 31 Figura 4.6 Cabezal 1,15 m para producir láminas de PEBD/EVA. Figura 4.7 Perfil de temperatura empleado en la extrusora para los productos de PEBD/EVA. Figura 4.8 Perfil de temperatura empleado en el cabezal para los productos de PEBD/EVA. Las láminas extrudidas poseen diferentes proporciones de cada resina, en este caso PEBD3/EVA. Estas mezclas van desde PEBD3/EVA 60/40, 50/50, 35/65 y 20/80. Estas mezclas se realizaron en la mezcladora con un peso base de 100 Kg, para luego ser extrudidas bajo las 32 temperaturas anteriores y los parámetros que se muestran en la tabla 4.1. Tabla 4.1 Condiciones para producir láminas de PEBD3/EVA Parámetro Velocidad del tornillo (rpm) Velocidad de halado (m/s) Separación labios del cabezal (mm) Separación de los rodillos (mm) Valor 22 0,029 1 0,4 Las condiciones anteriores fueron utilizadas para producir láminas de PEBD3/EVA con un espesor de 0,6 mm, con el propósito de realizar ensayos mecánicos a dichas láminas para determinar las propiedades mecánicas y a partir de estos datos encontrar los porcentajes de PEBD3/EVA que sirvan para refuerzos de calzado, específicamente el talón y la punta. Primero se realizaron las mezclas de 60-40, 50-50 y 35-65, ya que las proporciones de cada resina eran relativamente cercanas, y así se garantizó que las mezclas no tuvieran contaminación. Las mezclas extremo, es decir 20-80 y 80-20 se realizaron después y bajo las mismas condiciones. De cada mezcla se fabricaron 5 m, los cuales fueron enrollados y posteriormente, utilizados para cortar las probetas a las cuales se les realizaron ensayos mecánicos 4.2.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS MEZCLAS PEBD/EVA Los ensayos para determinar las propiedades de tracción de las mezclas PEBD3/EVA se realizaron en una máquina de ensayos universales marca LLOYD Instruments modelo EZ 20 ubicada en la Universidad Simón Bolívar (Figura 4.9). Se utilizaron unas mordazas tipo neumáticas. Las probetas ensayadas tienen 125 mm de largo y 25 mm de ancho (Figura 4.10). 33 Figura 4.9 Máquina de ensayos universales. Figura 4.10 Dimensiones de las probetas ensayadas a tracción de las mezclas PEBD/EVA. La velocidad del ensayo fue de 500 mm/min con una separación de mordazas de 50 mm. Estos valores, así como la forma y dimensión de la probeta, fueron seleccionados según la norma 34 ASTM D882(22). Las probetas fueron ensayadas a una temperatura de 21,9ºC. A partir de los datos obtenidos se realizaron las curvas esfuerzo-deformación para así tener la información sobre el módulo, esfuerzo y deformación a fluencia y a la ruptura de dichas probetas. Estos valores se calcularon bajo la norma ASTM D882(22), ya que las láminas tienen un espesor menor a 1 mm. CAPÍTULO V RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Para el presente proyecto se estudiaron dos tipos de materiales. En primer lugar, se prepararon espumas con base de PEBD2 y en segundo lugar mezclas de PEBD3/EVA. Con respecto a las espumas los objetivos fueron definir los parámetros de extrusión para la producción de láminas con 5 mm de espesor, como son temperaturas de la extrusora y cabezal, velocidad de tornillo, velocidad de halado y separación de rodillos de enfriamiento, y lograr la reducción de peso de las láminas, además de comprobar la influencia de la temperatura en la densidad de la espuma y el tamaño de celda. Con respecto a las mezclas PEBD3/EVA se realizó el estudio de la influencia del EVA en las propiedades mecánicas del producto final y se eligió cuál mezcla es la óptima para ser utilizada en partes de calzado, específicamente la punta y el talón. Por lo tanto, la siguiente discusión de resultados se divide en 2 secciones. 5.1 EXTRUSIÓN DE ESPUMAS DE PEBD Para la realización de este proyecto, fue necesario revisar bibliografía vinculada con la espumación de poliolefinas, para poder comprender el proceso de espumación y cuales variables de proceso afectaban su fabricación. Se pueden realizar diferentes tipos de espumas, dependiendo de los materiales a usar y el tipo de agente espumante. Park(23) realizó mezclas de PEBD/sPP para evaluar la influencia de este último en la resistencia térmica de la espuma. Throne y Rauwendaal(24) estudiaron las variables que influyen sobre el espesor de las espumas de PEBD, como es la morfología de la celda, tamaño de la celda, crecimiento de la burbuja, entre otros. Por otro lado, Sims y Mahapatro(15) estudiaron la influencia de la concentración de espumante, de agente de entrecruzamiento y la temperatura del proceso en la densidad de la espuma. Sempere(10) estudio la influencia de la composición de espumas de PEBD/EVA en el proceso de reticulación, espumación y descomposición térmica, bajo métodos cinéticos. 36 Las características esenciales de las espumas, como se dijo anteriormente, son excelente propiedad de aislante, buena retención de forma, amortiguación y bajo peso(14). Éstas son importantes para la industria del calzado, sobre todo para botas de seguridad, las cuales necesitan ser resistentes y a la vez, aislantes térmicos y eléctrico. En este proyecto se utilizó como base de la espuma el PEBD, ya que esta resina tiene la propiedad de aislante y es comparativamente superior a otros materiales dieléctricos, y al espumar el PEBD se pueden obtener una constante dieléctrica muy baja, alrededor de 1,45(25). La empresa Tecnoláminas busca la producción de espumas de PEBD para la industria del calzado, con el fin de encontrar un material que sea liviano y que pueda usarse como refuerzo para el calzado, principalmente botas de seguridad. 5.1.1 SELECCIÓN DEL AGENTE ESPUMANTE Para procesar estas espumas, inicialmente se investigó que agente espumante podría ser utilizado para este material y para ser procesado con la extrusora disponible en la empresa Tecnoláminas. Según lo encontrado en la bibliografía, y como se explicó previamente en la sección 3.2.1 del marco teórico, existen dos tipos de agentes espumantes: químico y físico. La diferencia entre ellos es la manera de incorporarlos a la matriz polimérica, ya que los físicos son gases inyectados en la última etapa del proceso directamente dentro del polímero fundido, mientras que los químicos son mezclados previamente con el polímero base. El agente espumante seleccionado para el presente estudio fue de tipo químico, ya que la extrusora no posee la característica esencial para emplear agentes espumantes físicos, como es el dispositivo que inyecta el gas a la resina. Para el agente espumante químico, es necesario que la extrusora tenga un tornillo desgasificador (Figura 5.1), y si posee agujero de venteo es recomendable cerrarlo, para así prevenir el escape del gas producido por el agente. Según Brzoskowski, Wang y otros(26) la relación L/D debe ser al menos 24:1, dando buenos resultados con respecto a la espumación. La extrusora disponible en la empresa presenta las características anteriores, por lo tanto, se puede utilizar este tipo de agente en dicha máquina. 37 Figura 5.1 Tornillo desgasificador(3). Con respecto al agente espumante se escogió la azodicarbonamida, ya que es uno de los más recomendados y el más usado para espumar termoplásticos y cauchos(9). Sempere(10) y Sims y Mahapatro(15) emplearon este tipo de agente espumante, obteniendo buenos resultados con respecto al espumado. El nombre comercial de la azodicarbonamida es Porofor®, siendo uno de los más utilizados y el que se consigue comúnmente en el mercado. Hay diferentes tipos de Porofor® dependiendo del tamaño de partícula, mientras más pequeña sea el tamaño de partícula el área superficial aumenta y por lo tanto, hay mayor interacción con los componentes de la mezcla (9) . En este proyecto se utilizó el Porofor® ADC/M-C1, el cual posee un tamaño de partícula de 4,5 µm, el menor entre todos los tipos de agentes (18). Uno de los inconvenientes que se presentó al realizar las espumas, fue la incorporación del Porofor® a la matriz polimérica, ya que éste viene en forma de un polvillo amarillo y por lo tanto, es necesario hacer un mezclado previo con los gránulos del PEBD, ya que si se agrega en la extrusora directamente no quedará homogénea la mezcla, además de que el polvo se quedaría adherido a la tolva o podría salir sin mezclar. Por tal motivo se realizó un compuesto de espumación, el cual presenta un 60 % de PEBD1, 20 % del agente espumante y 20 % de CaCO3. El uso del CaCO3 sirve para estabilizar la burbuja como carga para mejorar las propiedades mecánicas de las espumas(27). Estos materiales son mezclados en un mezclador interno, el cual se 38 encuentra en otra industria, pues la empresa Tecnoláminas no dispone de este equipo. Luego este compuesto ya pelletizado se mezcla con 90 % del PEBD2 en una mezcladora disponible en la empresa Tecnoláminas, como se explicó en la metodología. En la mezcla final existe un 2 % de agente espumante, porcentaje establecido bajo las recomendaciones de los fabricantes(21). 5.1.2 EFECTO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO SOBRE LA REDUCCIÓN EN PESO DE LA ESPUMA Con respecto al proceso, lo primero que se determinó fueron las temperaturas de procesamiento de las espumas. Básicamente, el tornillo está formado por tres zonas: alimentación, compresión y dosificación. En la zona de alimentación es necesario que la temperatura sea menor que la temperatura del descomposición del agente espumante, en este caso el Porofor® el cual tiene una temperatura de descomposición de 214 ºC(21), ya que se impide una descomposición temprana del agente y por lo tanto, pérdida del gas por la tolva. Seguidamente, en la zona de compresión se debe garantizar la fusión del polímero base, por lo tanto, la temperatura que se debe trabajar es entre 120 y 190 ºC y en la zona de dosificación debe superar la temperatura de descomposición del agente espumante, para que libere el gas y se formen las burbujas. En el cabezal se debe garantizar el enfriamiento de las espumas para así estabilizarlas(7). Park(23) para procesar sus espumas utilizó 160 ºC en la zona de alimentación, 190 ºC en la zona de compresión, 200ºC en la zona de dosificación y para el cabezal empleó temperaturas desde 107 a 113 ºC. Mientras que Brzoskowski(26) empleó para la zona del cabezal una temperatura entre 160 y 190ºC. Estas diferencias son debido a que los agentes espumantes utilizados presentaban distintas temperaturas de descomposición. Pero como se observa, se cumple la misma tendencia, un incremento en las temperaturas a lo largo de la extrusora y una disminución en la temperatura del cabezal. Es importante destacar que la extrusora de la empresa Tecnoláminas está dividida en 14 zonas de la siguiente manera, de la zona 1 a la zona 6 corresponde desde la zona de alimentación hasta el cañón de la extrusora, la zona 7 a la 9 es la zona de la boquilla, portafiltro y plato 39 rompedor, y las zonas 10 hasta la 14 es el cabezal. En la primera prueba que se realizó con las espumas de PEBD, se colocó el perfil de temperatura mostrado en la tabla 5.1 Tabla 5.1 Perfil de temperatura de la extrusora y cabezal para espumas PEBD. Prueba 1 Zona 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 T(ºC) 165 175 185 190 195 200 205 215 210 200 200 200 200 200 Se decidió colocar, inicialmente, la temperatura de la zona de alimentación menor a la temperatura de descomposición del agente espumante (214 ºC). En este caso se colocó a 165 ºC, la cual es suficiente para promover el avance del material. Para la zona 3 y 4 correspondiente a la zona de compresión, fue necesario que la temperatura garantizara la fusión del PEBD, donde la temperatura de procesamiento del FD-0348 va desde 120 a 190 ºC(15), por este motivo se utilizó entre 185 y 190ºC. Con respecto al resto de las zonas se debía garantizar la descomposición completa de agente espumante, por lo tanto, las temperaturas deberían llegar a 214ºC, y como se observa en la tabla 5.1 la zona 8 llega a 215 ºC, por lo tanto se puede decir que el agente espumante debió llegar a su descomposición total. Con respecto a la zona del cabezal se colocó a 200 ºC para enfriar la espuma y así estabilizar la burbuja(28). Según Throne y Rauwendaal(24) la burbuja deja de crecer y la espuma deja de expandirse cuando la presión interna de la celda disminuye, y se logra enfriando la espuma. Si no se logra enfriar correctamente la espuma, la estructura de la celda de la espuma no tendrá la suficiente fuerza y colapsa. A partir de estas temperaturas se procedió a conseguir las demás variables del proceso, como lo son las velocidades del tornillo y de los rodillos, así como la separación de los rodillos. Primero se comenzó con velocidades estándar utilizadas en la empresa, con una velocidad del tornillo de 30 rpm, velocidad de halado de 0,020 m/s y la separación de rodillos a 2,5 mm. Luego se fueron variando dichos valores hasta llegar a los optimas para el proceso, donde se garantizara la mayor espumación y por lo tanto, una reducción notable del peso de la lámina. Según Brzoskowski(26) la velocidad del tornillo recomendada está en el rango de 10 a 40 rpm. En la tabla 5.2 se muestran las variaciones que se realizaron y los espesores obtenidos, así como también el porcentaje de reducción de peso de las láminas. 40 Tabla 5.2 Condiciones empleadas para la producción de espumas PEBD. Prueba 1 Condición A B C D E F G H I1 I2 I3 I4 I5 Vtornillo (RPM) 32 32 38 38 42 42 42 42 42 42 42 42 42 Vhalado (m/s) 0,020 0,030 0,025 0,020 0,015 0,020 0,025 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 Separación rodillos (mm) 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 TCabezal (ºC) 200 200 200 200 200 200 200 195 195 195 195 195 195 Espesor Prom (mm) 3,05+ 0,12 2,45 + 0,35 3,25+ 0,15 3,93 + 0,03 3,86 + 0,06 3,80 + 0,05 3,95 + 0,06 4,25 + 0,10 4,35 + 0,19 4,45 + 0,15 4,65 + 0,10 4,85 + 0,17 %reducción peso 32 35 39 25 26 23 23 29 30 34 42 40 *De la condición B no se obtuvo resultados porque las láminas fallaron. En la tabla 5.2 se observa que los espesores obtenidos para cada condición aumentaban y el peso de la lámina iba disminuyendo. El cálculo de los espesores se explicará más adelante en esta sección. Se puede observar cual es el rango de reducción de peso que se obtiene al producir estas espumas de PEBD. El porcentaje de reducción de peso se calculó tomando en cuenta los Kg/m2 que poseen las láminas y los Kg/m2 que tendría una lámina producida solamente de PEBD (Apéndice A). El porcentaje de reducción de peso de las espumas poliméricas va desde 10-15 %, pero si las circunstancias son favorables se puede alcanzar hasta más de 30 %(7). Las espumas de PEBD producidas bajo estas condiciones tienen un porcentaje de peso que va desde un 23 % hasta un 42 %, lo que indica que el proceso es sumamente favorable. Con el resultado obtenido con respecto al peso de las láminas, se solventó uno de los problemas que presentaba la empresa, el cual radicaba en la producción de láminas con espesores mayores de 3 mm, las cuales resultaban muy pesadas y difíciles de manejar. Con solo agregar un 2 % de agente espumante, las láminas producidas presentan un 30 % menos de peso. Esto favorece a la empresa ya que al comercializar este producto con las industrias del calzado, estas últimas se verán beneficiadas, ya que conseguirían fabricar zapatos resistentes y de menor peso. 41 Con respecto a la velocidad del tornillo, se fue modificando para así poder obtener espesores mayores, ya que se quería obtener láminas de 5 mm de espesor. Como se observa en la tabla 5.1 al aumentar la velocidad del tornillo el espesor de la lámina aumentaba. Contrario al aumentar la velocidad del halado, la cual producía una disminución en el espesor. Con respecto a la separación de los rodillos se fue modificando para garantizar obtener láminas de 5 mm de espesor o más. Estos resultados serán explicados en otra sección. Por otra parte, las espumas fueron divididas en 14 zonas, como se muestra en la figura 4.4 de la metodología, para medir el espesor de las láminas (Apéndice B). Se obtuvo una variación notable a lo ancho de la lámina, evidenciándose con mayor intensidad en la zona correspondiente al centro, es decir desde la 6 hasta la 9. La tendencia de los espesores a lo ancho de la lámina expandida se observa en las figuras 5.2 a 5.4. 4,50 Espesor (mm) 4,00 3,50 3,00 2,50 Vtor=32 RPM Vtor=38 RPM 2,00 Vtor=42 RPM 1,50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Zona Lámina Figura 5.2 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a las velocidades del tornillo. 42 4,20 4,10 Espesor (mm) 4,00 3,90 3,80 3,70 3,60 3,50 Vhalado=0,015m/s 3,40 Vhalado=0,020m/s Vhalado=0,025m/s 3,30 3,20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Zona Lámina Figura 5.3 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a las velocidades de halado. 6,00 5,50 Espesor (mm) 5,00 4,50 4,00 3,50 Sr=3,2mm Sr=3,6mm Sr=4,0mm 3,00 2,50 Sr=3,4mm Sr=3,8mm Sr=4,2mm 2,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Zona Lámina Figura 5.4 Variación de espesores a lo ancho de la espuma de PEBD con respecto a la separación de rodillos. Como se observa, independiente de las variables del proceso, siempre ocurre una disminución del espesor en el centro de la espuma. Este problema puede ser generado por un 43 desnivel en los rodillos de enfriamiento, presentando diámetro menor en la zona del medio, consecuencia de un mal rectificado del mismo. Por tal motivo la espuma tendrá diferencia de espesores en el centro. Para corregir este problema se podría rectificar de nuevo el rodillo, pero por la falta de tiempo durante esta pasantia no se pudo realizar. La manera como se solventó dicha situación fue aumentando la temperatura del cabezal justo en la zona del medio de la lámina, para que así fluyera mayor cantidad de material y poder conseguir el espesor deseado. La influencia de las variaciones de los parámetros de extrusión sobre el espesor de la lámina expandida será explicada más adelante. Entre la condición G y H se realizó un cambio de temperatura del cabezal, se bajó de 200 a 195ºC, esto debido a que la espuma no presentaba espesor uniforme y para poder estabilizar las burbujas de gas producidas por la descomposición del agente espumante es necesario enfriar la espuma, como se explicó anteriormente. Para la condición H se modificó la temperatura de la zona 12 del cabezal, donde de 195ºC se subió a 205ºC para tratar de estabilizar el espesor en la zona central de la lámina, haciendo fluir mayor cantidad de material y así llegar al espesor deseado, ya que los rodillos de enfriamiento presentaban cierto desnivel. Las modificaciones anteriores se evidencian en la figura 5.4, donde la condición H es la que presenta mayor uniformidad en el espesor a lo ancho de la lámina. Es así como se tomó el patrón de temperatura de la condición H pero modificado, como se observa en la tabla 5.3. En la zona 7 se aumentó la temperatura para garantizar la descomposición del agente espumante. Igualmente se disminuyó la temperatura del cabezal para estabilizar mejor la burbuja, pero se mantuvo la zona central del cabezal más caliente que la de los extremos para disminuir la influencia del defecto de los rodillos de enfriamiento, mencionado anteriormente, y así garantizar el espesor homogéneo de la lámina expandida. A partir de estas temperaturas se variaron las demás condiciones para conseguir espumas de 5 mm de espesor. 44 Tabla 5.3 Perfil de temperatura de la extrusora y cabezal para espumas PEBD. Prueba 2 Zona T(ºC) 1 165 2 175 3 185 4 190 5 195 6 200 7 210 8 215 9 210 10 190 11 195 12 195 13 195 14 190 En la tabla 5.4 se observan los valores utilizados para la producción de este material así como los espesores y la reducción de peso obtenidos bajo estas condiciones. Se debe acotar que a partir de la condición 2 el perfil de temperatura se modificó, de la zona 5 hasta la 8 se aumentó 5ºC, y para la condición 5 en la zona 13 se modificó a 197 ºC, más adelante se explica dicha modificación. Tabla 5.4 Condiciones empleadas y porcentaje de reducción de peso obtenidos para espumas PEBD. Prueba 2 Vtornillo Condición (RPM) 40 1 40 2 40 3 35 4 35 5 37 6 Vhalado (m/s) 0,014 0,014 0,012 0,012 0,012 0,012 Separación rodillos (mm) 5,6 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 Espesor (mm) 5,25 + 0,09 5,10 + 0,01 4,89 + 0,02 4,21 + 0,08 4,30 + 0,01 4,50 + 0,07 %reducción peso 32 37 31 34 29 31 Tcabezalmedio (ºC) 195 195 195 197 197 197 Entre la condición 1 y 2 se diferencia la separación de los rodillos y la temperatura de la extrusora, dando como resultado que la espuma disminuya su espesor, y al mismo tiempo se obtiene una reducción de peso mayor. Para la condición 2 se aumentó las temperaturas de la extrusora para que el material reciba mayor cantidad de calor, y de esta manera, se garantice la descomposición del Porofor®. Este agente espumante al recibir calor, se descompone liberando dióxido de carbono(12,19), el cual es atrapado por el polímero fundido, formando la burbuja. Si la temperatura no es suficiente, el agente espumante no se descompone por completo, por lo tanto, no se llega al máximo de expansión. Vale destacar que un cambio en las temperaturas de extrusión afectan más la calidad del producto que las dimensiones de la misma(29). Esto se puede comprobar en la figura 5.5, al observar que la lámina de la condición 1 está más amarillenta que la de la condición 2, ya que el Porofor® es de color amarillo y al quedar mayor cantidad de agente espumante sin reaccionar el producto final tendrá dicha coloración. 45 (a) (b) Figura 5.5 Comparación entre (a) condición 1 y (b) condición 2 Por otra parte, se observó que a medida que la espuma es comprimida con mayor presión por los rodillos de enfriamiento, la reducción de peso es menor. Esto se produce, según Throne y Rauwendaal(24) debido a que las burbujas de gas al ser pisadas con cierta presión externa colapsan y hay pérdida del gas producido por el agente espumante. Por lo tanto, es necesario utilizar mayor cantidad de material para llegar al espesor deseado, que en este caso es 5 mm. La tendencia de la reducción de peso se determinó a lo ancho de la lámina y en las figuras 5.6, 5.7 y 5.8 se observan los resultados obtenidos. %reducción peso 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 Condición 1 Condición 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Zona Lámina Figura 5.6 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las condiciones 1 y 2. 40 38 %reducción peso 36 34 32 30 28 26 24 Condición 4 22 Condición 5 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Zona Lámina Figura 5.7 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las condiciones 4 y 5. 47 38 %reducción peso 36 34 32 30 28 26 Condición 3 24 Condición 4 22 Condición 6 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Zona Lámina Figura 5.8 Variación de la reducción de peso a lo ancho de la espuma de PEBD para las condiciones 3, 4 y 6. Para cada condición se observó que a partir de la zona 4 hay una disminución en el porcentaje de reducción de peso, la cual se mantiene hasta la zona 7 donde aumenta nuevamente. Esto es consecuencia del defecto que poseen los rodillos de enfriamiento, los cuales al no estar calibrados uniformemente en la zona del medio, hacen necesario tener que hacer fluir mayor cantidad de material por dicha zona para obtener espumas de espesor uniforme. Esto se logró colocando la temperatura del cabezal en el medio a mayor temperatura que los extremos. Por lo tanto, la espuma al salir del cabezal va a presentar mayor cantidad de material en la zona central y al llegar a los rodillos de enfriamiento la lámina expandida es aprisionada con mayor intensidad en dicha zona, lo que trae como consecuencia el colapso de las burbujas, como se explicó anteriormente. Al final, a pesar de controlar la temperatura fue muy difícil obtener espumas con un porcentaje de reducción de peso uniforme a lo ancho de la misma. Con respeto a las condiciones 4 y 5 tienen la misma velocidad de tornillo, de halado e igual separación de rodillos de enfriamiento, pero distinto porcentaje de reducción de peso. Esto es debido a que a partir de la condición 4 se disminuyó la velocidad del tornillo para que el material recibiera temperatura por mayor tiempo y garantizar la completa descomposición del Porofor®, 48 para así obtener mayor espumación y a su vez eliminar el color crema que presentaban las láminas. La disminución de la velocidad del tornillo ocasionó una depreciación en la cantidad de material que salía del cabezal, y al estar presente el problema en los rodillos, se modificó la temperatura de la zona central del cabezal para la condición 5, aumentándose a 197 ºC, para poder obtener espumas de calibre constante. Pero al aumentar la temperatura en esa zona ocasionó la salida de mayor cantidad de material, el cual fue presionado por los rodillos de enfriamiento, provocando el colapso de las burbujas de gas, como se mencionó anteriormente. Por este motivo la reducción de peso para la condición 5 es menor comparada con la condición 4, a pesar de presentar los mismos parámetros de extrusión, como se muestra en la figura 5.7. De la figura 5.6 se puede observar que la condición 2 fue la que presentó mayor porcentaje de reducción de peso en toda la lámina, en este caso, un 37% por lo que se puede considerar que el proceso fue favorable. Además se obtuvieron láminas de 5,1 mm de espesor uniforme en toda la lámina y la influencia del defecto de los rodillos no fue tan pronunciada como en las demás condiciones. Gracias a estos resultados se concluyó que el perfil de temperatura y demás variables empleadas en la condición 2 es la óptima para extruir espumas de PEBD de 5 mm de espesor y a su vez obtener una reducción de peso notable. 5.1.3 EFECTO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO SOBRE EL ESPESOR DE LA ESPUMA. Durante la primera prueba, se modificaron diferentes parámetros de extrusión (velocidad del tornillo, velocidad de halado y separación del tornillo), que afectan el espesor final de la espuma. Se debe acotar que para estas condiciones la distribución de espesores a lo ancho de la espuma no fue uniforme, debido a que los cambios se efectuaban para evaluar la influencia de las variables del proceso en el espesor promedio de la espuma. También se debe mencionar que para estas modificaciones de parámetros de extrusión, las características físicas de las espumas no se vieron afectadas. 49 La velocidad de extrusión viene dada por las revoluciones por minuto (rpm) del tornillo, otorgadas por el motor. Esta velocidad determina la cantidad de material que saldrá por el cabezal, pero esta salida de material se ve también directamente influenciada por la velocidad de halado, que no es más que la velocidad con la que se recoge la lámina una vez que sale del cabezal, ésta se mide en cm/s y viene dada por la velocidad de giro de los rodillos de halado. En la figura 5.9 se observa como a medida que aumenta la velocidad del tornillo el espesor de la espuma es mayor, ya que este incremento de velocidad implica un mayor caudal de material saliendo por el cabezal ocasionando que el espesor de la espuma aumenten, efectos similar al ocurrido en una lámina convencional(4), ya que existe más cantidad de material para ser distribuido entre las dimensiones de la lámina expandida, y el ancho está prefijado. En este caso, se dejó una velocidad de halado de 0,020 m/s y una separación de rodillos de enfriamiento de 2,5 mm. La desviación standard recomendada es hasta 10%, y como debe notarse los errores asociados a estas medidas son muy bajos en magnitud, evitándose confusiones posibles en la tendencia encontrada. 4,1 3,9 Espesor (mm) 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 30 32 34 36 38 40 42 44 Velocidad del Tornillo (RPM) Figura 5.9 Variación del espesor con respecto a la velocidad del tornillo. Para estudiar el efecto de la velocidad de halado sobre el espesor de la espuma, se dejó constante la velocidad del tornillo a 42 rpm y una separación de rodillos de 2,5 mm. Como se 50 observa en la figura 5.10 a medida que aumenta la velocidad de halado se obtiene una lámina de menor espesor, ya que ésta se estira a mayor velocidad y como existe un caudal de salida de material igual trae como consecuencia directa la disminución del espesor(4). A pesar de que las barras de error parecen muy grandes, el error es menor al 10%. 4 Espesor (mm) 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 3,7 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 Velocidad de halado (m/s) Figura 5.10 Variación del espesor de la espuma con respecto a la velocidad de halado. La separación de los rodillos de enfriamiento, es uno de los principales factores que determinan el espesor de la lámina para una cierta condición de operación, pero en la industria es más común los cambios en las variables de operación que un cambio en la separación de los labios o rodillos (29). El efecto de la separación de los rodillos se puede observar en la figura 5.11, donde la variación de la separación de los rodillos con respecto al espesor de la espuma es directamente proporcional. 51 5,5 Espesor (mm) 5 4,5 4 3,5 3 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 Separación de Rodillos (mm) Figura 5.11 Variación del espesor con respecto a la separación de los rodillos. Se observa en la figura 5.11 que el aumento del espesor es lineal a medida que se separan los rodillos de enfriamiento, pero al pasar de 3,8 a 4 mm de separación hay un incremento notable en el espesor de la espuma, para luego estabilizarse. Esto ocurre ya que al haber mayor separación entre los rodillos, la lámina no es comprimida por completo permitiéndole así llegar a un mayor grado de espumación y por lo tanto, alcanzar mayores espesores. Entre 4 y 4,2 mm de separación no hay un aumento tan pronunciado ya que la espuma alcanzó su máxima expansión y para esta condición I4 el espesor máximo es 5,05 mm. Se puede observar que teniendo una separación de 3,2 mm se obtuvieron láminas de 4 mm, esto es debido a que para estas condiciones la temperatura del cabezal era más elevada, haciendo que las espumas producidas no se enfriaran por completo. Esto ocasionó según Throne y Rauwendaal(24) que las espumas continuaran su proceso de espumación fuera del cabezal, y luego de pasar por los rodillos de enfriamiento se estabilizó el proceso de crecimiento de la burbuja, ya que éstas se enfriaron. 52 5.1.4 EFECTO DE LA TEMPERATURA Y LA VELOCIDAD DEL TORNILLO SOBRE LA DENSIDAD DE LA ESPUMA Para estudiar el efecto de la temperatura sobre la densidad de las espumas, primero se calculó la densidad de la espuma (Apéndice C) para cada condición de las dos pruebas realizadas, tomando en cuenta el espesor promedio y el volumen de la lámina(30). En las tablas5.5 y 5.6 se observa la tendencia de la densidad con respecto a la velocidad del tornillo y la temperatura de las dos pruebas respectivamente. Tabla 5.5 Variación de la densidad de la espuma para la prueba 1. Condición Vtornillo (rpm) A C D E F G H I1 I2 I3 I4 I5 32 38 38 42 42 42 42 42 42 42 42 42 Tcabezal (ºC) 200 200 200 200 200 200 195 195 195 195 195 195 ρ(g/cm3) 0,62 + 0,06 0,64 + 0,04 0,66 + 0,02 0,67 + 0,05 0,68 + 0,02 0,68 + 0,04 0,71 + 0,03 0,71 + 0,05 0,69 + 0,03 0,69 + 0,01 0,68 + 0,08 0,68 + 0,02 Tabla 5.6 Variación de la densidad de la espuma para la prueba 2. Condición Vtornillo (RPM) 40 1 40 2 40 3 35 4 35 5 37 6 Tcabezal (ºC) 195 195 195 197 197 197 ρ (g/cm3) 0,63 + 0,01 0,62 + 0,02 0,62 + 0,02 0,61 + 0,01 0,58 + 0,02 0,60 + 0,02 Se puede observar, en las dos pruebas, que a medida que aumenta la velocidad del tornillo la densidad de la espuma aumentó. Para la prueba 1 a una velocidad de 32 rpm se tiene una densidad de 0,62 g/cm3 mientras que para 38 rpm la densidad de la espuma es de 0,66 g/cm3. 53 Con respecto a la temperatura, se observa que a medida que ésta aumenta la densidad disminuye. Sims y Mahapatro(15) encontraron que a medida que la temperatura de descomposición aumenta, la densidad de de la espuma disminuye. Esto es debido a dos efectos: disminuye la presión del gas y aumenta la fuerza del polímero en estado fundido. Por otra lado, Brzoskowski(26) encontró que la densidad de la espuma depende la temperatura de la extrusora y de la velocidad del tornillo. Una baja densidad de espuma se obtiene con una alta temperatura y una baja velocidad del tornillo, coincidiendo con los resultados del presente estudio. 5.1.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE EL TAMAÑO DE CELDA DE LA ESPUMA Para estudiar el efecto de la temperatura sobre el tamaño de celda (Apéndice D) se utilizaron dos perfiles de temperaturas, como se muestra en la tabla 5.7. Se utilizó una velocidad de tornillo de 25 rpm, velocidad de halado a 0,010 m/s y una separación de rodillos a 4 mm. Luego se tomaron muestras para cada condición, se observaron en una macrolupa y se tomaron fotos respectivas de cada espuma estudiada. Tabla 5.7 Perfiles de temperatura para la prueba del tamaño de celda Zona 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 165 175 185 190 195 200 210 215 210 190 190 195 190 190 Perfil 1 (ºC) Perfil 2 (ºC) 165 175 180 195 205 215 225 235 210 190 220 220 220 190 Al utilizar el perfil de temperatura 1 se obtuvieron espumas con celdas más pequeñas en comparación a las espumas producidas con el perfil número 2. Esto se puede observar en la figura 5.12, donde a una temperatura final de la extrusora de 215 ºC las celdas son más cerradas que a una temperatura de 235 ºC. Esto se debe, según Tarng(31) a que al estar el núcleo de la espuma caliente con respecto a la superficie causa excesiva expansión, produciendo celdas más abiertas. ( 54 (a) (b) Figura 5.12 Tamaño de celda (a) Temperatura 1 (b) Temperatura 2. Además se calculó el área promedio de las celdas presentes en cada muestra para así comprobar que para la temperatura 1 las celdas se encuentran más cerradas. En la tabla 5.8 se observa que a una temperatura de 215 ºC el área promedio de las celdas es menor comparado con las obtenidas para la mayor temperatura. Por lo tanto, se pudo comprobar la influencia de la temperatura sobre el tamaño de celda, siendo ésta más abierta a medida que la temperatura de extrusión sea mayor. Una celda más abierta, se obtendrá una disminución en las propiedades mecánicas de la espuma(31) Tabla 5.8 Valores del área de las celdas para cada temperatura. Área 1 (mm2) 0,228 Error 0,117 Área 2 (mm2) 0,777 Error 0,406 5.1.6 SELECCIÓN DE LA CONDICIÓN ÓPTIMA PARA HACER ESPUMAS DE PEBD DE 5 mm DE ESPESOR Con los resultados presentados anteriormente, se seleccionó la condición óptima para producir espumas de PEBD de 5 mm de espesor, tomando en cuenta el porcentaje de reducción de peso en la lámina, la distribución de espesores uniforme y el tamaño de celda obtenida. Por lo tanto, la condición óptima seleccionada fue: un perfil de temperatura de la extrusora de 165 a 220 55 ºC, el cabezal a una temperatura de 195 ºC, velocidad del tornillo a 40 rpm, velocidad de halado a 0,014 m/s y una separación de rodillos de 5,4 mm. 5.2 EFECTO DEL COPOLÍMERO EVA EN LAS PROPIEDADES MÉCANICAS DEL PRODUCTO FINAL Las mezclas de PEBD y el copolímero EVA son empleados en la empresa Tecnoláminas para la fabricación de láminas entre 0,5 y 1 mm de espesor, las cuales recubren telas tejidas y no tejidas. Este proceso inicia con la extrusión de la mezcla, la cual al salir del cabezal pasa por el rodillo de enfriamiento junto con la tela a recubrir (Figura 5.13). A continuación, estas láminas pasan por una encoladora en donde se le coloca pega, la cual es empleada al momento de fabricar el zapato. Las láminas ya encoladas se troquelan para conformar partes de refuerzo, específicamente la punta y el talón del calzado. Es importante acotar que para el presente estudio las láminas no fueron encoladas, ya que la pega podría afectar los resultados finales. Como se explicó anteriormente, el copolímero de EVA es un material cuyas propiedades dependen del contenido de vinil acetato. Su principal propiedad es la flexibilidad y a medida que aumenta la cantidad de vinil acetato, el copolímero se vuelve más flexible. El EVA empleado para las mezclas fue el HM-728, que posee un 28% de vinil acetato, siendo un porcentaje moderado y es el más utilizado para recubrimientos y adhesivos (8). 56 (a) (b) Figura 5.13. (a) Recubrimiento de tela y (b) Tela plastificada. El estudio consistió en variar el porcentaje de EVA en las mezclas con PEBD, desde 40 hasta 80% y a dichas láminas se les realizaron ensayos (Apéndice E) para poder obtener los valores de sus propiedades mecánicas y ver las diferencias existentes entre las mezclas. Estás láminas deben tener la característica de ser flexibles y a la vez tener la capacidad de volver lo más rápido posible a su forma inicial luego de ser deformadas. Lo que se espera obtener, es que a mayor contenido de EVA en la mezcla, las láminas presentarán un comportamiento más parecido 57 al mismo, lo cual se verá evidenciado en las propiedades de producto final. El módulo elástico indica que tan rígido es un material, es el cociente del esfuerzo aplicado a una pieza entre la deformación que sufre por dicho esfuerzo y está determinado por la estructura molecular del material(32). En la figura 5.14 se observa que a mayor porcentaje de EVA el módulo elástico va disminuyendo y por lo tanto, hay que aplicar un esfuerzo menor para poder deformarlo. Se observa una ligera desviación negativa con respecto a la ley aditiva de mezclas en dicha figura. Es importante resaltar que no se le realizaron mediciones de propiedades mecánicas a los materiales vírgenes y los valores relativos al módulo y al resto de las propiedades presentadas más adelante, como esfuerzos a la ruptura y a la fluencia y deformación a la ruptura, fueron extraídos de la bibliografía(25,33,34). Este comportamiento puede explicar la presencia de interacciones entre los componentes puros, mejorando la flexibilidad del sistema, generando un compromiso entre las propiedades aportadas por ambos materiales 140 120 E (MPa) 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 % EVA Figura 5.14Variación del módulo elástico con respecto al porcentaje de EVA 58 Por otro lado, al aumentar el porcentaje de EVA el esfuerzo de fluencia disminuye y aumenta la deformación a la fluencia. Se observa claramente en la figura 5.15 una desviación negativa de la ley aditiva de mezclas, debido a la presencia de interacciones generadas entre el PEBD y el EVA. A mayor contenido de EVA, el valor del esfuerzo a la fluencia de la mezcla se asemeja más al del EVA puro. De hecho se observa que a partir de un 40% de EVA, ya el esfuerzo a la fluencia de la mezcla es prácticamente igual al del EVA puro, lo que nos indica que la cantidad de copolímero en el material después de cierto porcentaje tiene baja influencia sobre esta propiedad en el producto final. Por otro lado, no se consiguieron los valores de deformación a la fluencia del EVA y del PEBD puros empleados en esta investigación, por lo cual simplemente se puede asegurar que a medida que aumenta el porcentaje de EVA, la deformación a fluencia de la mezcla aumenta progresivamente (Figura 5.16). Debe notarse que los errores asociados a estas medidas son muy bajos en magnitud, evitándose confusiones posibles en la σ f(MPa) tendencia encontrada. 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 0 20 40 60 80 100 % EVA Figura 5.15 Variación del esfuerzo de fluencia con respecto al porcentaje de EVA. 59 21 19 17 %εf 15 13 11 9 7 5 40 50 60 70 80 % EVA Figura 5.16 Variación de la deformación a la fluencia con respecto al porcentaje de EVA. Con respecto al esfuerzo a la ruptura al variar el porcentaje de EVA en el producto, aumenta dicho valor y se puede observar en la figura 5.17. Se evidencia de nuevo una desviación negativa de la ley aditiva de mezclas que se genera debido a las interacciones presentes entre el PEBD y el EVA al mezclarlos. Los valores de esfuerzo a la ruptura obtenidos para las mezclas se encuentran exactamente entre los valores de ambos materiales vírgenes empleados. A pesar que las barras de error se observan grandes, el error asociado es menor a 10%. 60 18 17 16 σ r(MPa) 15 14 13 12 11 10 9 8 0 20 40 60 80 100 % EVA Figura 5.17 Variación del esfuerzo a la ruptura con respecto al porcentaje de EVA. Se esperaba que la deformación a la ruptura aumentara a medida que la cantidad de EVA era mayor. Small(35) y McConnell(36) obtuvieron este resultado, atribuyendo dicha tendencia a la disminución de la cristalinidad y al efecto plastificante del EVA. Los resultados obtenidos no presentaron dicha tendencia, ya que al observar la figura 5.18 la mezcla que parece poseer un mayor porcentaje de deformación es la 65/35, siendo esto un resultado adverso, ya que la mezcla que debería de presentar mayor deformación es la 80/20, según los autores mencionados anteriormente (35-36) . Las barras de error son demasiado grandes, por lo que se puede decir que quizás este valor no sea el mayor sino muy parecido al de las demás mezclas. De todas formas se puede decir, que según los resultados obtenidos, se encontró una desviación negativa de la ley aditiva de mezclas debido a las posibles interacciones generadas entre el PEBD y el EVA al mezclarlos. Se recomienda hacer más muestras para hallar una tendencia definida. 61 800 700 %ε r 600 500 400 300 200 0 20 40 60 80 100 % EVA Figura 5.18Variación de la deformación a la ruptura con respecto al porcentaje de EVA. 5.1.2 SELECCIÓN DE LA MEZCLA ÓPTIMA PARA REFUERZO PARA ZAPATOS. Con los resultados obtenidos, se pudo elegir cual porcentaje de EVA en las mezclas es el indicado para la producción de láminas empleadas para punteras y contrafuertes. Para las punteras es necesario un material que no falle al deformarlo y a la vez tenga la capacidad de volver a su estado inicial sin sufrir alguna deformación en su forma. Para los contrafuertes se necesita un material que sea flexible para mayor confort del usuario, pero con cierta firmeza para adoptar la forma del calzado y ser el sostén del talón. Para los usos anteriores se requiere un material que sea flexible y que tenga resiliencia, para que tenga la capacidad de deformarse y volver a su estado inicial. Como se observan en los resultados si se agrega más EVA el material se vuelve más flexible y va perdiendo su rigidez, por lo tanto, es necesario un equilibrio entre flexibilidad y rigidez. Para el uso de la puntera podría utilizarse el 65/35 para que tenga mayor movilidad dicha parte del calzado y para el contrafuerte es necesario un material flexible pero más resistente a deformación, por lo tanto, se emplearía el 40/60. CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones • Los parámetros de extrusión para producir espumas óptimas de PEBD de espesor 5 mm en la empresa Tecnoláminas son: temperatura de la extrusora desde 165 a 220 ºC, temperatura del cabezal a 195 ºC, velocidad de tornillo de 40 rpm, velocidad de halado 0,014 m/s y separación de rodillos a 5,4 mm. • El porcentaje de reducción de peso logrado de las espumas fue de un 37%, al modificar la velocidad del tornillo, velocidad de halado, separación de los rodillos, temperatura de la extrusora y la temperatura del cabezal. • La diferencia de espesores a lo ancho de la espuma es generado por un defecto presente en los rodillos de enfriamiento, y se elimina aumentando la temperatura del cabezal en la zona afectada, en este caso la zona central. • Para garantizar la descomposición completa del agente espumante Porofor® es necesario que el material llegue a 214 ºC o más en la zona de dosificación para así obtener espumas con expansión máxima. • El espesor de las espumas de PEBD es mayor a medida que aumenta la velocidad de tornillo y la separación entre los rodillos de enfriamiento, pero disminuye a mayor velocidad de halado. • La densidad de las espumas es menor a medida que aumenta la temperatura de procesamiento y disminuye la velocidad del tornillo. 63 • Las celdas abiertas de las espumas son producidas por una diferencia entre la temperatura del núcleo y la superficie. • En las mezclas PEBD/EVA a medida que aumenta el contenido del copolímero el producto se vuelve más parecido al mismo, por lo tanto, el módulo elástico y el esfuerzo de fluencia disminuyen, mientras que el esfuerzo a la ruptura aumenta. La deformación a la ruptura no muestra tendencia alguna. 6.2 Recomendaciones • Es necesario que los rodillos de enfriamientos estén bien rectificados y nivelados, para garantizar la producción de espumas de espesor constante, y no tener que jugar con otras variables para obtenerlas. Además deben estar a temperaturas bajas para garantizar la estabilización de la espuma. • Se recomienda hacer estudios de calorimetría diferencial de barrido (DSC) al Porofor® para verificar que la temperatura de descomposición es la indicada por el fabricante. • Realizar ensayos mecánicos a las espumas de las diferentes condiciones para determinar la influencia de las variables del proceso sobre las propiedades mecánicas de las espumas. • Medir propiedades mecánicas de los materiales vírgenes de EVA y PEBD para compararlos con los resultados obtenidos para las mezclas. • Repetir más ensayos de propiedades tensiles a las mezclas para observar la tendencia clara en la deformación a la ruptura. CAPITULO VII REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1)M. Noriega, “Ingeniería del Proceso de Extrusión de Monohusillo”, ICIPC, Colombia (1994). (2) R. Anguita, “Extrusión de Plásticos: Teoría y Equipos”, H.Blume Ediciones, España (1977). (3) H. Mark, “Enciclopedia of Polymer Science and Technology”, Editorial Stoff, USA (2003). (4) Z. Tadmor, y J. Klein, “Engineering Principles of Plasticating Extrusion”, Van NostranReinhold, USA (1970). (5) “Extrusion of thermoplastics”. Disponible en http://in.geocities.com/bolurpc/extrusion1.html. Consulta: [Octubre 2007]. (6) “Mecánica Tecnomaq” http://www.tecnomaq.com.mx/polietileno.html. Consulta: [Octubre 2007]. (7) Manual Coramer, “Primera Jornada en Procesamiento de Polímeros”, Venezuela. (8) Modern Plastics “Encyclopedia Handbook”,McGraw-Hill Inc, USA (1994). (9) Bergen Internacional,“Agentes Espumantes Químicos”. Disponible en http://www.bergeninternational.com/html/Perfil.htm. Consulta: [Mayo 2007]. (10) J. Sempere, “Estudio del Proceso de reticulado, espumación y descomposición térmica de formulaciones industriales de copolimeros EVA y PE: Métodos cinéticos”, Tesis Doctoral, Universidad de Alicante, España (2002). (11) M. Biron, “Foams, Structural foams I outlines, Chemical blowing agents”, Polymer Additives&Colors. Disponible en www.specialchem4polymers.com. Consulta: [Junio 2007]. (12) “Chemical blowing agents: providing, economic and physical improvements to a wide range of polymers” Polymer Additives&Colors. Disponible en www.specialchem4polymers.com. Consulta: [Junio 2007]. 65 (13) “El mundo de las espumas de www.plastunivers.com/Tecnica/Hemeroteca/ArticuloCompleto.asp?ID=14563 Polietileno”, Consulta: [Octubre 2007]. (14) Brafim, “Espumas Industriales”, Disponible en http://www.brafim.com/espumas_esp.htm. Consulta: [Mayo 2007]. (15) G. Sims y A. Mahapatro, “Structure/Process/Property Relationships in Molded Polyethylene Foams”, SPE´s ANTEC Proceedings (1998), s/p (16) L. Barros, “Extrusión Directa de Plásticos Celulares Rígidos de PP”, Proyecto de Grado, Universidad Simón Bolívar, Venezuela (2005). (17) Ficha Técnica de FB-7000, proporcionado por la Empresa Polinter. (18) Ficha Técnica de FD-0349, proporcionado por la Empresa Polinter. (19) Ficha Técnica de MA-7007, proporcionado por la Empresa Polinter. (20) Ficha Técnica de HM-728, proporcionado por la Empresa Politeno. (21) Ficha Técnica Porofor® ADC/M-C1, proporcionado por la Empresa Bayer. (22) Norma ASTM D882. “Standard Test Method for Tensile Propieties of Thin Plastic Sheeting”, USA (2002) (23) C. Park, “Foam Extrusion of Syndiotactic Polypropylene-Polyethylene Blends”, SPE´s ANTEC Proceedings (2001), s/p. (24) J. Throne y C. Rauwendaal, “Extrusion Parameters Affecting Thermoformability of LowDensity Thermoplastic Foam Sheet”, SPE´s ANTEC Proceedings (2006), 2581. (25) J. Brydson, “Plastics Materials”, Butterworth & Co, Inglaterra (1975). (26) R. Brzoskowski, Y. Wang, C. La Tulippe y B. Dion., “Extrusion of Low Density Chemically 66 Foamed Thermoplastic Vulcanizates”, SPE´s ANTEC Proceedings (1998), s/p. (27) J. Throne, “Thermoplastics Foam Extrusion”, Editorial Hanser, Alemania (2004). (28) E. Andreassean, K. Borve, K. Rommetveit, y K. Redford, “Foaming of Polypropilene in Extrusion Processes” SPE´s ANTEC Proceedings (1999), 359. (29) Richardson & Lokensgard, “Industria del Plástico”, Editorial Paraninfo, España (2000). (30) Norma COVENIN 1964-86 “Espumas flexibles de poliuretano. Determinación de la densidad”. Venezuela (1986). (31) S. Tarng, “Fundamental Study of Thermoplastics Foam Structure and Proporties”, SPE´s ANTEC Proceedings (2003), 1727. (32) “Pruebas Mecánicas”, www.monografias.com/trabajos12/pruemec/pruemec.shtml. Consulta: [Junio 2007]. (33) Politeno, http://braskem.politeno.com/index.asp?pIdioma=es. Consulta [Octubre 2007]. (34) Polinter, http://www.polinter.com.ve. Consulta [Octubre 2007]. (35) C. Small, G. McNally, W. Murphy y G. Garrell, “The Effect of Vinyl Acetate Content and Polyisobutylene Concentration on the Properties of Metallocene Polyethylene/Ethyl Vinyl Acetate Co-extruded Film For Stretch and Cling Film Applications”, SPE´s ANTEC Proceedings (2003), 3167. (36) D. McConnell, G. McNally y W. Murphy, “The Processing and Performance of Polyvinyl Chloride/Ethyl-vinyl Acetate Copolymer Blends”, SPE´s ANTEC Proceedings (2003), 2403. APÉNDICE APÉNDICE A: DISTRIBUCIÓN DE ESPESORES EN LAS ESPUMAS DE PEBD Tabla A.1 Distribución de espesores a lo ancho de espuma de PEBD. Prueba 1 Espesores (mm) Condición 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 A 3,30 3,30 3,30 3,30 3,10 2,95 2,60 2,80 2,95 3,20 3,40 3,50 3,50 3,50 C 2,90 3,00 2,85 2,60 2,50 2,20 2,20 2,00 2,00 2,10 2,20 2,50 2,60 2,80 D 3,60 3,60 3,60 3,60 3,50 3,30 3,20 2,90 2,80 3,00 3,10 3,40 3,60 3,70 E 4,00 4,00 4,05 4,05 4,10 4,10 4,00 4,00 3,90 3,90 4,00 3,80 3,90 3,90 F 3,90 3,90 3,90 3,90 3,85 3,80 3,50 3,50 3,70 3,80 3,80 3,80 3,80 3,80 G 3,80 3,80 3,80 3,80 3,80 3,80 3,80 3,65 3,60 3,70 3,90 3,90 4,00 4,00 H 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 3,90 3,90 3,85 3,85 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 I1 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,40 4,10 3,90 3,90 4,20 4,20 4,25 4,30 4,20 I2 4,60 4,50 4,50 4,50 4,50 4,40 4,30 4,10 4,00 4,10 4,30 4,40 4,60 4,50 I3 4,60 4,80 4,90 4,90 4,80 4,60 4,30 4,20 4,10 4,20 4,50 4,80 4,80 4,60 I4 5,00 5,10 5,10 5,10 5,00 4,90 4,70 4,60 4,60 4,80 5,00 5,20 5,50 5,30 I5 5,30 5,60 5,60 5,40 5,20 4,80 4,90 4,60 4,80 4,80 4,80 5,30 5,30 5,60 Tabla A.2 Distribución de espesores a lo ancho de espuma de PEBD. Prueba 2 Condición 1 2 3 4 5 6 1 5,10 5,10 4,90 4,30 4,30 4,60 2 5,20 5,10 4,90 4,30 4,30 4,60 3 5,20 5,10 4,90 4,30 4,30 4,50 4 5,20 5,10 4,90 4,20 4,30 4,50 Espesores (mm) 5 6 5,25 5,30 5,10 5,10 4,85 4,85 4,10 4,10 4,30 4,30 4,40 4,40 7 5,35 5,10 4,90 4,15 4,30 4,50 8 5,35 5,10 4,90 4,25 4,30 4,50 9 5,40 5,10 4,90 4,20 4,30 4,50 10 5,40 5,10 4,90 4,20 4,30 4,50 68 APÉNDICE B CÁLCULO DEL PORCENTAJE DE REDUCCIÓN DE PESO DE LAS ESPUMAS El porcentaje de reducción de peso de las espumas de PEBD se calculó partiendo de la siguiente ecuación: Kg / m 2 exp = Kgespuma m 2espuma Ecuación 1 Kg / m 2 teorico = ρmatrizpo lim erica * espesor lámina %reducción peso = Ecuación 2 Kg / m 2teorico − Kg / m 2 exp *100 Kg / m 2teorico Ecuación 3 Para la primera prueba de expandido se cortaron láminas para ser medidas y pesadas y así calcular el porcentaje de reducción de las espumas de cada condición. Ejemplo: para la condición A 1,11 m Peso de la espuma: 2 Kg Dimensiones espuma: 0,9 m Largo lámina: 0,9 m Ancho: 1,11 m Área= l x a= 0,9 m * 1,11 m = 1,055 m2 Kg / m 2 exp = Kgespuma 2 Kg = = 1,8966 Kg / m 2 2 2 m espuma 1,055m ρ FD-0348: 0,92 g/cm3 Espesor espuma: 0,305 cm Kg/m2teórico= 0,92g/cm3*0,305cm = 0,2806g/cm2= 2,806Kg/m2 2,806 Kg / m 2 − 1,896 Kg / m 2 Kg / m 2 teorico − Kg / m 2 *100 = %reduc.= *100% = 32,41 ≈ 32% 2,806 Kg / m 2 Kg / m 2 teorico En las tablas B.1 hasta B.7 se muestran los valores de reducción de peso para las 2 pruebas 69 Tabla B.1. %reducción de peso para cada condición. Prueba 1 Laminas Espesor Espesor promedio m2 Kg Kg/m2 Kg/m2teorico %reducción peso A C D E F G H I1 I2 I3 I4 I5 2,6 a 3,5 2 a 2,9 2,9 a 3,6 3,85 a 4 3,7 4 3,6 a 4 3,9 a 4 4 a 4,5 4,1 a 4,6 4,1 a 4,8 4,6 a 5,3 4,4 a 5,7 3,05 2,45 3,25 3,93 3,86 3,80 3,95 4,25 4,35 4,45 4,95 5,05 1,055 1,089 0,874 1,137 1,147 1,079 1,137 0,725 1,139 1,107 0,757 0,504 2,00 1,60 1,60 3,00 3,00 3,00 3,20 2,00 3,20 3,00 2,00 1,40 1,8966 1,4692 1,8315 2,639 2,6164 2,7809 2,8149 2,7605 2,8107 2,709 2,6417 2,7778 2,806 2,254 2,990 3,496 3,542 3,611 3,634 3,910 4,002 4,094 4,554 4,646 32 35 39 25 26 23 23 29 30 34 42 40 Tabla B.2 %reducción de peso para la condición 1. Prueba 2 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Espesor g m2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 5,10 5,20 5,20 5,20 5,20 5,25 5,30 5,35 5,35 5,40 5,255 31,5 31,9 32,5 32,7 33,4 33,9 34,2 34,2 33,0 33,3 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 3,15 3,19 3,25 3,27 3,34 3,39 3,40 3,42 3,30 3,33 4,70 4,79 4,79 4,79 4,79 4,84 4,88 4,93 4,93 4,97 %reducción peso 33 33 32 32 30 30 30 31 33 33 32 Tabla B.3 %reducción de peso para la condición 2. Prueba 2 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Promedio Espesor g M2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10 28,60 29,20 29,80 30,00 30,60 30,50 30,50 29,80 29,30 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 2,86 2,92 2,98 3,00 3,06 3,05 3,05 2,98 2,93 4,70 4,70 4,70 4,70 4,70 4,70 4,70 4,70 4,70 %reducción peso 39 38 37 36 35 35 35 37 38 37 70 Tabla B.4 %reducción de peso para la condición 3. Prueba 2 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Espesor g M2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 4,90 4,90 4,90 4,90 4,85 4,85 4,90 4,90 4,90 4,90 4,89 30,90 30,80 31,50 31,60 31,30 31,70 31,90 31,20 30,80 30,50 31,22 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 3,09 3,08 3,15 3,16 3,13 3,17 3,19 3,12 3,08 3,05 3,12 4,51 4,51 4,51 4,51 4,47 4,47 4,51 4,51 4,51 4,51 %reducción peso 32 32 30 30 30 29 29 31 32 32 31 Tabla B.5 %reducción de peso para la condición 4. Prueba 2 Muestra 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Espesor g M2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 4,30 4,30 4,30 4,20 4,10 4,10 4,15 4,25 4,20 4,21 25,70 25,30 26,30 26,20 25,50 25,00 24,80 24,60 25,40 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 2,57 2,53 2,63 2,62 2,55 2,50 2,48 2,46 2,54 3,96 3,96 3,96 3,87 3,78 3,78 3,82 3,91 3,87 %reducción peso 35 36 34 32 32 34 35 35 35 34 Tabla B.6 %reducción de peso para la condición 5. Prueba 2 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Espesor g M2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 4,30 27,40 27,50 27,90 28,70 29,40 29,00 28,50 27,60 26,80 26,50 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 2,74 2,75 2,79 2,87 2,94 2,90 2,85 2,76 2,68 2,65 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 3,96 %reducción peso 31 31 30 28 26 27 28 30 32 33 29 71 Tabla B.7 %reducción de peso para la condición 6. Prueba 2 Muestra Espesor g M2 Kg/m2 Kg/m2 Teorico 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio 4,60 4,60 4,50 4,50 4,40 4,40 4,50 4,50 4,50 4,500 28,30 28,35 28,60 28,70 29,50 28,70 28,80 27,90 27,70 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 2,83 2,84 2,86 2,87 2,95 2,87 2,88 2,79 2,77 4,24 4,24 4,14 4,14 4,05 4,05 4,14 4,14 4,14 %reducción peso 33 33 31 31 27 29 31 33 33 31 APÉNDICE C CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE LAS ESPUMAS DE PEBD La densidad de las espumas se calculó mediante la siguiente ecuación: ρespuma = mespuma Vespuma Ecuación 4 Donde: m: peso de la espuma V: volumen de la espuma Ejemplo: para la condición A Peso de la espuma: 2 Kg ≈ 2000 g Largo = 0,90 m ≈ 90 cm Ancho = 1,10 m ≈ 110 cm Espesor = 0,305 cm ρespuma = mespuma 2000 g = = 0,622 g / cm3 Vespuma 90cm * 110cm * 0,305cm En las tablas c.1 y c.2 se muestran los valores de la densidad para cada condición de las dos pruebas. 72 Tabla c.1 Valores de la densidad de la espuma para cada condición. Prueba 1 Condición A C D E F G H I1 I2 I3 I4 I5 Espesor promedio(mm) 3,05+ 0,28 2,45 + 0,35 3,25+ 0,30 3,93 + 0,09 3,86 + 0,13 3,80 + 0,11 3,95 + 0,06 4,25 + 0,21 4,35 + 0,19 4,45 + 0,28 4,65 + 0,26 4,85 + 0,35 m2 Peso (g) ρ(g/cm3) 1,0545 1,0890 0,8736 1,1368 1,1466 1,0788 1,1368 0,7245 1,1385 1,1074 0,7571 0,5040 2000 1600 1600 3000 3000 3000 3200 2000 3200 3000 2000 1400 0,622 + 0,064 0,636 + 0,036 0,658+ 0,018 0,671 + 0,047 0,678 + 0,028 0,683 + 0,038 0,712 + 0,039 0,709 + 0,045 0,690 + 0,034 0,687 + 0,007 0,682 + 0,081 0,677 + 0,027 Tabla c.2 Valores de la densidad de la espuma para cada condición. Prueba 2 Condición 1 2 3 4 5 6 Espesor promedio(mm) 5,25 + 0,09 5,10 + 0,00 4,89 + 0,02 4,21 + 0,08 4,30 + 0,01 4,50 + 0,07 m2 Peso (g) ρ(g/cm3) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 33,04 29,81 31,22 25,42 27,93 28,51 0,622 + 0,064 0,636 + 0,036 0,658+ 0,018 0,671 + 0,047 0,678 + 0,028 0,683 + 0,038 APÉNDICE D CÁLCULO DEL TAMAÑO DE CELDA DE LAS ESPUMAS Para este cálculo se utilizó el programa Partículas, creado por el Ingeniero Héctor Rojas de la USB. Esta herramienta computacional reporta el tamaño de partícula presentes en una muestra, indicando sus dimensiones y su área. Para obtener estos datos, primero se debe seleccionar una foto de la muestra, luego se procede a indicar la escala que se va a utilizar. Acto seguido se selecciona la opción nueva partícula, se marca la partícula a estudiar mediante puntos alrededor de la misma, y se selecciona la opción actualizar partícula. Automáticamente aparece en el recuadro superior los datos correspondientes a la celda estudiada. Esta operación se repite hasta estudiar todas las partículas de la muestra. En la figura d.1 se muestra la pantalla principal del programa. 73 Figura d.1 Pantalla principal del programa Partículas. 74 APÉNDICE E: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS MEZCLAS DE PEBD Y EVA a) Determinación del Módulo Elástico El módulo elástico se calcula como la pendiente de la curva esfuerzo vs deformación. E= σ 2 −σ1 ε 2 − ε1 donde: E= Módulo elástico (MPa) σ= esfuerzo en un punto de la curva (MPa) ε= Deformación en un punto de la curva Ejemplo: Para la probeta número 1 de la mezcla 50-50. σ1= 0,047 MPa σ2=3,412 MPa ε1=0,103 ε2=7,482 Figura e.1 Gráfica esfuerzo vs deformación de la mezcla 50-50 PEBD/EVA E= σ 2 − σ 1 3,412MPa − 0,047 MPa = = 45,60MPa 7,482 − 0,103 ε 2 − ε1 Ecuación 5 75 b) Determinación del Esfuerzo a la Ruptura: A partir de la curva esfuerzo-deformación se determinó el esfuerzo a la ruptura de las probetas ensayadas mediante la siguiente fórmula. σr = Fr A Ecuación 6 donde: σr= esfuerzo de ruptura (MPa) Fr= fuerza de ruptura (N) A= área transversal de la probeta ensayada (mm2) Ejemplo: para la probeta 1 de la mezcla 50-50 Fr= 173,200 N Largo= 25,69 mm Espesor = 0,631 mm Área= 25,69 mm x 0,631 mm = 16,21 mm2 σr = Fr 173,200 N = = 10,68MPa A 16,21mm 2 En las tablas e.1 hasta la e.4 se muestran los valores de las propiedades mecánicas de cada mezcla de PEBD/EVA. Tabla e.1 Propiedades mecánicas de la mezcla 40/60. Muestra 1 2 3 4 5 6 Promedio Error E (MPa) 51,72 49,14 49,56 49,39 52,86 43,64 49,38 2,90 σf (MPa) 3,98 4,30 4,20 4,32 4,02 4,29 4,18 0,14 εf(MPa) 8,43 9,96 9,11 9,88 7,93 10,95 9,38 1,01 σr (MPa) 9,55 9,20 9,55 9,34 9,39 10,51 9,59 0,43 εr(MPa) 506,56 495,20 481,80 523,25 549,87 452,61 501,55 30,70 76 Tabla e.2 Propiedades mecánicas de la mezcla 50/50. Muestra 1 2 3 4 5 6 Promedio Error E (MPa) 45,60 50,79 41,20 48,11 41,72 41,42 44,81 3,68 σf (MPa) 4,07 4,14 3,71 4,23 3,99 3,79 3,99 0,19 εf(MPa) 9,90 9,18 9,72 9,84 10,11 10,05 9,80 0,30 σr (MPa) 10,68 12,33 10,56 11,25 10,98 10,72 11,09 0,60 εr(MPa) 420,06 286,73 605,09 325,48 432,47 541,19 435,17 61,77 Tabla e.3 Propiedades mecánicas de la mezcla 65/35 Muestra 1 2 3 4 5 6 Promedio Error E (MPa) 32,38 33,53 36,25 35,34 30,95 33,67 33,50 1,83 σf (MPa) 3,59 3,79 4,17 3,81 3,66 3,47 3,72 0,23 εf(MPa) 12,18 12,62 12,26 12,03 13,03 11,48 12,25 0,50 σr (MPa) 10,08 10,73 10,52 10,30 11,92 11,05 11,70 0,58 εr(MPa) 662,34 629,00 473,56 511,95 806,36 786,27 647,40 74,68 Tabla e.4 Propiedades mecánicas de la mezcla 80/20 Muestra 1 2 3 4 5 6 Promedio Error E (MPa) 23,26 21,44 23,04 23,00 21,92 22,29 22,49 0,66 σf (MPa) 4,06 3,95 3,71 3,53 3,96 3,61 3,66 0,20 εf(MPa) 18,31 19,12 17,11 16,38 18,97 17,69 17,93 0,98 σr (MPa) 11,60 11,26 11,07 12,25 11,75 13,03 11,90 0,70 εr(MPa) 578,54 546,91 442,42 720,20 644,28 630,56 539,40 76,32