CD-5013.pdf

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