universidad simón bolivar decanato de estudios profesionales

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