universidad simón bolívar decanato de estudios profesionales

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE
ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO
Por:
Litzabriela J. Soteldo R.
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero de Materiales
Sartenejas, Diciembre del 2009
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE
ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO
Por:
Br. Litzabriela J. Soteldo R.
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Prof. Jeanette González.
Tutor Industrial: Ing. Marilinda Antuoni Maggi.
Jurado Evaluador:
Prof. Maria Virginia Candal
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero de Materiales
Sartenejas, Diciembre del 2009
ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE
ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO
Realizado por:
Br. Litzabriela J. Soteldo R.
RESUMEN
El presente proyecto fue desarrollado en Industrias Uniplásticas C.A. (Uniplast) y su
objetivo principal fue determinar las especificaciones de la formulación estándar de PEAD
empleada por la empresa, para la elaboración de sus productos a fin de garantizarle al cliente
valores admisibles de cada una de ellas y buscar un material alternativo que lo supera en
temperaturas mínima y/o máxima de uso. A partir de ello se determinó la resistencia a la flexión a
nivel de laboratorio y a nivel de planta, la temperatura de deflexión, la temperatura de
fragilización, el índice de fluidez, la resistividad eléctrica, la resistencia eléctrica y la constante
dieléctrica. Para las dos temperaturas evaluadas (deflexión y fragilización) se evaluó el efecto del
porcentaje de materia prima recuperada en la formulación. Seguidamente se inyectaron paletas en
dos materiales alternativos, PP copolímero de etileno-propileno y una mezcla de este último con
PEAD, se procedió a medir la temperatura de fragilización y la temperatura de deflexión de
probetas mecanizadas. Los valores obtenidos fueron comparados con los correspondientes a la
formulación estándar y se evaluó la resistencia a la flexión en planta de las paletas elaboradas en
los dos materiales alternativos. Se obtuvo que la temperatura de deflexión no varía con el
material ni con el porcentaje de materia prima recuperada, que la temperatura de fragilización
resultó menor para la mezcla seguida del PEAD y mayor para el PP copolímero y el ensayo de
flexión a nivel de planta resultó satisfactorio para todos los materiales en estudio,
recomendándose la mezcla como material alternativo para la elaboración de las paletas.
iv
DEDICATORIA
Este proyecto se lo dedico a mi Abuelita Betty Clavier de Soteldo, por haber sido madre y
abuela al mismo tiempo. Sin ti no lo habría logrado. Gracias por estar ahí siempre, por tus
consejos y por tu amor incondicional. Te amo.
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme guiado durante toda mi carrera y haberme dado el valor suficiente para
seguir siempre adelante y lograr todas las metas que me he propuesto.
A mi Papi Gabriel Soteldo y a mis Abuelitas Betty de Soteldo y María Josefina de Soteldo por
creer en mí, darme su apoyo incondicional, sus palabras de aliento y motivarme en los momentos
difíciles a lo largo de mi vida. Gracias por todo el cariño, el amor y por enseñarme a luchar por mis
sueños. Gracias por hacerme la persona que soy… Los amo!
A Luisa Clavier “Mami Chula”, por haber sido una segunda madre para mí, por su cariño, su
amor y sus consentimientos. Te quiero Mami!. A Alicia Rodríguez de Soteldo, por su forma de ser
hacia mí y su apoyo. Gracias por ser tan especial. Te quiero mucho.
A mi gran familia por el apoyo incondicional. A mis primos, mi prima Verónica Clavier “Primi”
y en especial a mis madrinas Maria Josefina Soteldo “Toto” y Betty Soteldo “Tía Connie” por las
risas y por enseñarme valores tan importantes como la solidaridad, la hermandad, el amor y la alegría
que los caracteriza.
A mis tutoras Ing. Marilinda Antuoni, Prof. Jeanette González por haber sido mis guías en la
realización de este proyecto. Gracias…
A Lorenzo Rivero por ser mi compañero incondicional. Gracias por tus consejos, tus enseñanzas,
por saber escuchar, por no dejarme caer y acompañarme en todo momento. Te quiero!
A mis amigos, por todos los momentos que pase junto a ustedes en estos cinco años. Por su
apoyo, su alegría y las rumbas. En especial a Francisco Unda, Andrea Mejías. Los quiero!
Al Ing. Hector Rojas y al Sr. Próspero Soto del Laboratorio “E” de Polímeros por haberme
permitido llevar a cabo los ensayos para la realización del proyecto; al Prof. Jorge Ramírez del
Laboratorio “A” de Alta Tensión por su excelente trabajo en la obtención de las propiedades
eléctricas necesarias y al Prof. Adalberto Rosales por su colaboración y sus atenciones.
vi
INDICE GENERAL
Acta de evaluación de Pasantía Larga
iii
Resumen
iv
Dedicatoria
v
Agradecimientos
vi
Índice General
vii
Índice de Tablas
viii
Índice de Figuras
ix
CAPÍTULO I. Introducción
1
CAPÍTULO II. Objetivos.
3
CAPÍTULO III. Marco Teórico.
5
3.1. Organización de la empresa.
5
3.2. Generalidades del proceso de inyección.
7
3.2.1. Variables generales del moldeo por inyección.
3.2.2. Ventajas y desventajas del moldeo por inyección frente a otros procesos
convencionales de transformación de plásticos.
3.3. Espumas estructurales.
8
9
10
3.3.1. Clasificación de las espumas.
10
3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión.
3.4.1. Ventajas y desventajas del proceso de inyección de espuma estructural a baja
presión.
3.4.2. Aplicaciones del proceso.
12
13
14
3.5. Paletas plásticas.
14
3.6. Polietileno.
15
3.6.1. Polietileno de Alta Densidad (PEAD).
16
3.6.2. Polietileno de Baja Densidad (PEBD).
17
3.6.3. PEAD vs. PEBD.
17
3.7. Polipropileno.
18
3.7.1. Polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP).
3.8. Mezclas de Poliolefinas.
20
21
vii
3.9. Propiedades.
21
3.9.1. Indice de fluidez (M.F.I).
22
3.9.2. Resistencia a la flexión.
23
3.9.3. Resistencia al impacto.
24
3.9.4. Temperatura de deflexión.
26
3.9.5. Temperatura de fragilización.
27
3.10. Antecedentes.
28
CAPITULO IV. Procedimiento Experimental.
30
4.1. Materiales.
30
4.2. Equipos.
32
4.3. Metodología.
33
4.3.1. Flexión a nivel de laboratorio.
33
4.3.2. Propiedades eléctricas.
34
4.3.3. Índice de fluidez (M.F.I).
34
4.3.4. Temperatura máxima de uso. (Ensayo de Temperatura de Deflexión.)
35
4.3.5. Temperatura mínima de uso. (Ensayo de impacto a bajas temperaturas.)
35
4.3.6. Flexión a nivel de planta. (Paleta extrafuerte ERB-0020.)
36
CAPITULO V. Resultados y Discusiones
38
5.1. Caracterización de la formulación estándar utilizada en la elaboración de paletas.
38
5.2. Efecto del porcentaje de material recuperado en la formulación de los productos
42
elaborados en PEAD.
5.3. Comportamiento de los materiales alternativos propuestos.
45
5.4 Análisis de costo.
49
CAPITULO VI. Conclusiones y Recomendaciones
51
6.1. Conclusiones.
51
6.2. Recomendaciones.
53
BIBLIOGRAFÍA
54
APÉNDICE
57
viii
INDICE DE TABLAS
Tabla 3.1. Correlaciones entre algunas propiedades de diferentes polietilenos.
18
Tabla 4.1. Propiedades del PEAD 2908 APUV puro.
30
Tabla 4.2. Propiedades del PP J440 puro.
31
Tabla 4.3. Especificaciones técnicas de la Paleta de código ERB-0020.
31
Tabla 4.4. Parámetros de ensayo de las probetas.
33
Tabla 4.5. Condiciones de ensayo para propiedades eléctricas.
34
Tabla 4.6. Parámetros de ensayo del ensayo de índice de flujo.
34
Tabla 4.7. Medio empleado para cada una de las formulaciones.
35
Tabla 4.8. Condiciones de carga para los ensayos de flexión.
37
Tabla 5.1. Propiedades de los productos de formulación estándar en PEAD.
39
Tabla 5.2. Temperatura de deflexión para diferentes formulaciones de PEAD.
42
Tabla 5.3. Temperatura de deflexión de los materiales escogidos para la elaboración de las
paletas.
Tabla 5.4. Resistencia a la flexión a nivel de laboratorio de los materiales escogidos para la
elaboración de las paletas.
45
47
Tabla 5.5. Deformación bajo flexión de la ERB-0020 elaborada en diferentes materiales.
48
Tabla B.3.1. Tiempos requeridos para cada temperatura de ensayo.
69
Tabla D.1.1. Masas de cada corte hecho a cada una de las muestras ensayadas.
75
ix
INDICE DE FIGURAS
Figura 3.1. Organigrama de la empresa.
6
Figura 3.2. Mapa de Procesos del área de Ventas de Uniplast, C.A.
7
Figura 3.3. Esquema de una máquina de inyección convencional.
8
Figura 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión.
13
Figura 3.5. Plastómetro.
23
Figura 3.6. Disposición de la probeta en un ensayo de flexión.
24
Figura 3.7. Montaje para flexión en un equipo de ensayos universales.
24
Figura 3.8. Configuraciones en prueba de impacto. (a) Charpy. (b) Izod.
25
Figura 3.9. Impactómetro.
26
Figura 3.10. Equipo utilizado para medir temperatura de deflexión.
27
Figura 4.1. Carga máxima y de referencia en una paleta elaborada en PEAD 100/0.
37
Figura 5.1. Fractura de paletas a bajas temperaturas en Rack Tipo Túnel.
38
Figura 5.2. Gráfico de Resistencia al Impacto vs. Temperatura para el PEAD 80/20.
41
Figura 5.3. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes formulaciones de PEAD.
43
Figura 5.4. Espumado de PEAD 100/0 (azules) y PEAD 80/20 (negras).
44
Figura 5.5. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes materiales.
46
Figura 5.6. Imágenes representativas de la inmiscibilidad de la mezcla.
48
Figura 5.7. Relación porcentual de costo.
50
Figura A.2.1. Gráfico ejemplo de Fuerza [N] vs. Extensión [mm].
61
Figura A.2.2. Gráfico ejemplo de Esfuerzo [MPa] vs. Deformación [%].
62
Figura B.1.1. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 80/20.
66
Figura B.1.2. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 60/40.
66
Figura B.1.3. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 100/0.
67
Figura B.1.4. Curvas obtenidas para el ajuste de PP de formulación 100/0.
67
Figura B.1.5. Curvas obtenidas para el ajuste de la mezcla de formulación 50/50.
68
x
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN.
Industrias Uniplásticas C.A., UNIPLAST es una empresa que fue fundada en el mes de abril
de 1.968, ubicada en Guatire, Edo. Miranda. Se dedica al diseño, fabricación y comercialización
de productos plásticos, dirigidos a los sectores industrial, agroindustrial, construcción y de
servicios; para lo cual cuenta con capital 100% venezolano. Los productos son elaborados en
Polietileno de Alta Densidad (PEAD) virgen y recuperado, junto a un aditivo anti-UV y un
colorante. Además, sustituyen a la madera contribuyendo con la disminución de la tala de
árboles. Los productos se elaboran mediante el proceso de inyección de espuma estructural a baja
presión usando como agente espumante (físico) el nitrógeno.
La misión de la empresa es diseñar, fabricar y comercializar productos plásticos de alta
calidad, garantizando la satisfacción del cliente tanto interna como externa y su visión es
mantener el liderazgo de productos plásticos en espuma estructural a nivel de Suramérica,
adaptándose a las necesidades del mercado mediante el desarrollo de nuevas tecnologías,
procedimientos y estrategias de comercialización.
Entre los productos que se elaboran en la empresa se tienen cestas, bateas, bandejas, tanques,
cajas, pisos avícolas y porcinos, formaletas, marcos de flejado, paletas de varios tipos y sus
complementos, entre otros. En particular, las paletas han sustituido a las elaboradas con madera
desde hace décadas. Todos estos productos proporcionan beneficios como el ser 100%
reciclables; no requieren fumigación, es decir, no generan un gasto adicional ni riesgo de
contaminación del material o del personal, no se oxidan, pudren ni absorben humedad; pueden
ser lavados, esterilizados y/o congelados. Además, se pueden almacenar y utilizar a la intemperie,
1
marcar o troquelar para control de inventario e identificación y evitan el peligro de lesionar al
personal con clavos y/o astillas si se comparan con sus homólogos de madera.
A medida que pasa el tiempo es necesaria la obtención de productos de menor peso y por lo
tanto, menor costo y con los productos espumados estos dos requerimientos se hacen presentes,
pues su fabricación requiere menor cantidad de material y esto se traduce en una disminución del
costo de cada uno de ellos sin alterar sus propiedades. Sin embargo, eventualmente surgen
necesidades que los productos actuales no pueden satisfacer.
La empresa cuenta con una amplia gama de clientes tanto del sector industrial como el de
construcción. Algunos de ellos se están viendo en la necesidad de utilizar los productos en
condiciones críticas de temperatura bajo las cuales el material no ha sido caracterizado, por lo
que se han reportado fallas en los productos. A bajas temperaturas, se ha presentado la fractura de
paletas bajo flexión tipo Túnel y a altas temperaturas, el reblandecimiento de cestas dispuestas
bajo ningún esfuerzo mecánico crítico. Según estudios previos de la empresa, los rangos
permisibles tanto a bajas como a altas temperaturas son muy amplios (-50 a -20°C y 60°C a
80°C), teniendo como valores aproximados y no garantizados -25°C y 65°C, respectivamente. Es
por ello que la realización del presente estudio se hace necesaria, pues se busca determinar con
precisión estos valores y la alternativa de elaborar los productos con otro material que resulte
atractivo tanto para los requerimientos y necesidades de los clientes, como para la empresa. Para
ello se escogieron como materiales alternativos un Polipropileno copolímero de etileno-propileno
y una mezcla de Polietileno de Alta Densidad con este último.
2
CAPITULO II
OBJETIVOS
2.1. Objetivo general.
Determinar con precisión las especificaciones técnicas del material empleado por la empresa
en su formulación estándar (80% material virgen y 20% material recuperado) para la elaboración
de las paletas en cuanto a propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas a fin de garantizarle al
cliente valores admisibles de cada una de ellas y buscar una formulación y/o un material
alternativo que lo supere en temperatura mínima y/o máxima de uso.
2.2. Objetivos específicos.
- Analizar la técnica de procesamiento mediante la cual se elaboran las paletas en la empresa
Uniplast, C.A.
- Evaluar las temperaturas máxima y mínima de uso de la formulación estándar de los
productos Uniplast C.A. a partir de muestras representativas de los mismos.
- Evaluar el comportamiento en flexión a nivel de laboratorio de probetas mecanizadas a
partir de paletas Uniplast C.A. elaboradas en formulación estándar.
- Evaluar el comportamiento eléctrico de muestras tomadas a partir de paletas elaboradas con
la formulación estándar.
- Evaluar el comportamiento en flexión a nivel de planta según la certificación de
FONDONORMA de un producto específico al cual se le quiera ampliar su rango térmico de uso
(Paleta extrafuerte de código EEA-0020) elaborado con la formulación estándar.
3
- Indagar entre diferentes formulaciones y materiales con los cuales puedan ser elaborados
los diferentes productos y seleccionar uno o varios de ellos.
- Realizar pruebas piloto con la formulación y/o el(los) material(es) alternativo(s)
seleccionado(s) para evaluar temperatura máxima y mínima de uso, además del comportamiento
en flexión del producto escogido según la certificación de la marca FONDONORMA.
- Determinar la posibilidad de utilización del material y/o formulación seleccionado(s) para
la fabricación y comercialización de los productos elaborados con el(los) mismo(s), a través del
mejoramiento de las condiciones deseadas, el mantenimiento de las propiedades actuales y un
análisis de costos.
4
CAPITULO III
MARCO TEÓRICO
3.1. Organización de la empresa.
El organigrama empresarial es la representación gráfica de la estructura organizativa de una
empresa. Todo organigrama debe de ser flexible y adaptable, de forma que si hay cambios en la
empresa, este organigrama se pueda adaptar, por ejemplo, para que se pueda incluir un nuevo
puesto o servicio. Además, debe ajustarse a la realidad, ser claro, preciso y comprensible para las
personas a las que se debe informar.
La estructura de una organización es como una red de comunicación a través de la cual se
transmite información y puede darse en dos sentidos, vertical y horizontal. En el caso de
Uniplast, C.A. esta comunicación va en sentido vertical, entre rangos diferentes. Está encabezada
por una Junta Directiva apoyada por una Gerencia General que dirige a las diferentes divisiones
de la empresa.
A continuación en la Figura 3.1. se muestra el organigrama de Industrias Uniplásticas, C.A y
en la Figura 3.2. el esquema general empleado para la comercialización de sus productos.
5
Junta Directiva
Gerencia General
Recepcionista
Asesor de Planta
Mensajero
Jefe de Mantenimiento
Asistente de
Mantenimiento
Gerencia de
Comercialización
Gerente de Sector
Industrial
Servicios Generales
Gerente de Sector
Agroindustrial
Mecánicos
Electricistas
Gerente de Sector
Construcción
Coordinador de
RRHH.
Gerencia de
Finanzas
Asistente de RRHH
Coordinador de
Sistemas
Gerente de
Administración.
Gerente de
Producción
Coord. de Compras
Asistentes Contables
Jefe de Producción
Jefe de Almacén de
Productos Terminados
Asistente de
Producción
Gerente de Proyectos
Figura 3.1. Organigrama de la empresa Uniplast, C.A.
6
CLIENTE
Comercialización
NO
SI
¿Inventario de
productos?
2
¿Nuevo producto?
NO
SI
2
Diseño de pieza
y molde
Plan de Producción
Taller De Moldes
SI
¿Existe materia prima?
Prueba del molde y de la pieza
NO
Administración
¿Resultado de pruebas?
Recepción de Materia Prima
SI
NO
1
Revisar y
reparar fallas
Molido y Mezclado
de materia prima
Molde
listo
2
Producción
¿Producto Conforme?
SI
NO
1
Producto
Terminado
Despacho
CLIENTE
Figura 3. 2. Mapa de Procesos del área de Ventas de Uniplast, C.A.
3.2. Generalidades del proceso de inyección.
El moldeo por inyección constituye uno de los principales procedimientos para convertir
plásticos en productos útiles. La lista de objetos cotidianos que se obtienen por moldeo por
inyección es infinita: aparatos de televisión y video, pantallas de computadoras, discos compactos
7
y equipos de lectores, anteojos, cepillos de dientes, piezas de automóvil, calzado deportivo,
bolígrafos, muebles de oficina, etc(1).
El moldeo por inyección es apropiado para todos los termoplásticos con la excepción del
politetrafluoroetileno (PTFE), las poliimidas, algunos poliésteres aromáticos y ciertos polímeros
especiales. Durante el proceso, los materiales granulados absorben suficiente calor para facilitar
su “fluidez”, lo que permite la inyección del plástico caliente en un molde cerrado, en el que se
crea la forma deseada. Cuando se enfría, se extraen las piezas del molde con un sistema de
expulsión(1). A continuación en la Figura 3.3. se presenta un esquema simplificado de una
máquina de inyección.
Figura 3.3. Esquema de una máquina de inyección convencional(1).
3.2.1. Variables generales del moldeo por inyección.
Existen cinco variables fundamentales en el proceso de moldeo por inyección de las cuales
dependen tanto la calidad del artículo moldeado como la eficiencia de la producción del mismo.
Estas variables son (1):
8
- Temperaturas
- Presiones
- Tiempos
- Recorridos
- Velocidades
La mayoría de las dificultades que se presentan durante el ciclo de moldeo se corrigen
ajustando estos cinco parámetros, para así lograr un ciclo eficiente, el cual se define como el ciclo
que permite obtener una pieza con la calidad deseada, en el menor tiempo posible, con el menor
desgaste del equipo y el menor consumo de energía(1).
3.2.2. Ventajas y desventajas del moldeo por inyección frente a otros procesos
convencionales de transformación de plásticos.
Comparado con otros procesos de transformación de plásticos, el moldeo por inyección
conlleva aspectos tanto favorables como desfavorables. Las piezas pueden producirse a altas
velocidades permitiendo alcanzar altos volúmenes de producción y el costo del operario por
unidad es relativamente bajo, sobre todo en procesos automatizados. Además, las piezas
requieren poco o ningún acabado y se pueden elaborar objetos que serían casi imposibles de
fabricar en gran cantidad por otros métodos, ya que se obtienen diferentes tipos de superficies,
acabados y colores con el moldeo de diferentes materiales(2).
Por otro lado, presenta aspectos desfavorables como los costos de los moldes y el equipo, los
cuales resultan relativamente altos; el proceso es susceptible a los rendimientos del operario en
máquinas manuales y semiautomáticas, además del hecho de que la calidad de la pieza es difícil
de determinar inmediatamente(2).
9
3.3. Espumas estructurales.
Una espuma de polímero es una mezcla de polímero y gas que da al material una estructura
celular porosa. Otros términos que se usan para las espumas de polímeros incluyen polímero
celular y polímero expandido. Las propiedades características de los polímeros espumados son
baja densidad, alta resistencia por unidad de peso, buen aislamiento térmico y buena calidad de
absorción de energía. La elasticidad del polímero base determina la correspondiente propiedad de
la espuma(3).
El consumo de materiales poliméricos, mejor conocidos como plásticos, ha ido en aumento
desde los inicios del siglo XX. Sin embargo, en los últimos veinticinco (25) años el uso de los
materiales espumados se ha incrementado considerablemente. La aplicación de las espumas
comenzó por su capacidad de flotación y luego en el empaquetado de materiales en 1970. Hoy en
día, muchas otras aplicaciones han venido surgiendo en el área de construcción, la automotriz, los
deportes, la electrónica, entre otros. Actualmente, los países desarrollados demandan mejor
calidad de vida, lo que abre una serie de oportunidades para la creación de nuevos productos para
su introducción al mercado; siendo las espumas poliméricas la primera opción para cubrir esta
necesidad debido a sus propiedades únicas. Es justo decir que incluso cuando las espumas
poliméricas no son de carácter vital, están convirtiéndose en indispensables para enriquecer el
nivel de vida actual(4).
3.3.1. Clasificación de las espumas.
Las espumas de polímero se pueden clasificar como elastómericas y flexibles, donde la
matriz es un polímero altamente plastificado como el PVC suave, y rígidas, en las cuales el
polímero es un termoplástico como el polietileno o un polímero termoestable como un fenólico.
Dependiendo de la formulación química y del grado de entrecruzamiento, el PU (Poliuretano)
puede entrar en alguna de estas tres categorías(3).
10
En general, las espumas flexibles de PU hechas con polioles de cadenas cortas y pocos
grupos funcionales muestran excelentes características elásticas y de deformación adecuadas para
la elaboración de asientos, mangueras flexibles, embalaje, artículos deportivos y de recreación,
etc. Al aumentar la densidad se logran las espumas rígidas de PU las cuales muestran altos
módulos en propiedades mecánicas, aislamiento térmico y estabilidad por lo que encuentran su
aplicación en el área de construcción, automotriz, puertas de neveras, carcasas de monitores, etc.
Por otro lado, las espumas semirígidas de PU son hechas con copolímero de poliol y presentan un
incremento del grado de entrecruzamiento, lo que aumenta la dureza y la capacidad de disipación
de energía. Sin embargo, al someterlas a impactos fuertes tienden a deformarse
permanentemente.
Por su parte, las espumas de Poliestireno (PS) tienen su atractivo por la baja temperatura de
transición vítrea del PS debido a su estructura amorfa y la capacidad de ser procesadas tanto por
un espumado continuo como en uno de varias etapas. Entre las propiedades que presentan estas
espumas se tienen: baja densidad, rigidez y alto módulo de flexión a temperatura ambiente en
comparación con otros termoplásticos. Una de las más importantes aplicaciones de estas espumas
es en la industria del embalaje, pues aunque el PS por sí solo es bastante rígido después de una
cierta expansión, la pared celular es lo suficientemente delgada y adecuada para esta área.
Las espumas a base de poliolefinas pueden consistir de Polietileno (PE), PE entrecruzado y
Polipropileno (PP). A diferencia de las espumas de PS, las espumas de PE generalmente son
suaves, tienen mayor elasticidad y poseen una buena resistencia química. Espumas de baja
densidad con un volumen de expansión alto se producen con PE de baja densidad (PEBD), el cual
es conocido por su capacidad de endurecimiento por deformación. En general, para el PE cuando
la densidad de las piezas espumadas aumenta, también lo hace su capacidad de soportar esfuerzos
lo que conduce a aplicaciones en el sector de transporte de cargas pesadas.
11
Por otro lado, el entrecruzamiento mejora la resistencia de la estructura del polímero, lo que
permite una pared celular delgada y una distribución de las celdas más fina. Como resultado de
esto, las espumas de PE entrecruzado son suaves, tienen la capacidad de endurecerse por
deformación y otras propiedades ventajosas como una recuperación elástica. De esta manera,
encuentran su lugar en aplicaciones donde las espumas de PE sin entrecruzar no lo tienen. Entre
ellas se tienen las suelas de zapatos y el aislamiento de tuberías. Sin embargo, con el PP se
pueden obtener espumas tanto de baja como de media densidad con aplicaciones en las áreas de
embalaje y de construcción. Otras resinas cuyas espumas tienen aplicaciones en la industria son
el Polietilentereftalato (PET), el PVC, algunas resinas epoxídicas, siliconas, etc.
3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión.
El moldeo de espumas estructurales es una variación del proceso convencional de moldeo
por inyección mediante el cual pueden ser producidos diferentes componentes o piezas, que
poseen una superficie externa sólida rodeando a un corazón de estructura celular con una relación
resistencia/peso que puede ser utilizada en diversas aplicaciones sometidas a condiciones de
carga. El corazón se forma mediante la introducción directa de un gas inerte (usualmente
nitrógeno, agente espumante físico) en el material fundido, o mediante la generación de un gas
proveniente de agentes espumantes químicos que son agregados a la resina en sí. En este proceso,
es necesario que el molde sea parcialmente llenado durante la inyección, ya que el fundido se
expande por la acción de la presión que ejerce el gas introducido o generado llenando así por
completo a la cavidad. Un ejemplo de gas introducido es el nitrógeno, el cual para ser utilizado
requiere de un equipo adicional (acumulador) que mantiene la mezcla de gas y material bajo
presión antes de ser inyectada al molde. En el caso de gases generados, estos son producto de
agentes espumantes químicos, los cuales son previamente mezclados de forma mecánica con la
resina antes de alimentar la máquina de inyección(5). A continuación en la Figura 3.4. se muestra
un esquema del proceso de inyección de espuma estructural a baja presión.
12
Figura 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión(4).
Existe una gran variedad de materiales que pueden ser utilizados para elaborar productos
mediante inyección de espuma estructural a baja presión. Entre ellos los más comunes son el
PEAD (Polietileno de Alta Densidad) y el PEBD (Polietileno de Baja Densidad) debido a su bajo
costo, facilidad de procesamiento, resistencia química y su resistencia al impacto a bajas
temperaturas. Por otro lado, el PP (Polipropileno) ofrece rigidez y resistencia térmica; además de
su capacidad de aceptar rellenos y cargas que aumentan aún más estas dos últimas, resultando en
un material de bajo costo con un amplio perfil de propiedades para la elaboración de productos en
espuma estructural. También pueden utilizarse otros materiales como el PS (Poliestireno), el
PSAI (Poliestireno de Alto Impacto), el PC (Policarbonato), entre otros, pero requieren el uso de
un agente espumante de carácter químico. (5)
3.4.1. Ventajas y desventajas del proceso de inyección de espuma estructural a baja
presión.
Entre las ventajas que ofrece este proceso se tiene la capacidad de lograr piezas con amplias
áreas superficiales, así como también menores requerimientos en cuanto a la fuerza de cierre de
la máquina en el molde (medida de la capacidad del equipo), pues en la inyección convencional
se requiere una fuerza de cierre aproximadamente diez (10) veces mayor que la necesaria en el
proceso de inyección de espuma estructural y con la reducción de las presiones es posible
abaratar los costos que implica la producción, los requerimientos de fuerza en la prensa de la
máquina y emplear moldes más baratos, incluso de aluminio(6).
13
Por otro lado, se sabe que para un proceso de inyección convencional los grandes espesores
limitan el enfriamiento de la pieza, por esto la inyección de espuma estructural es una opción
ideal para el moldeo de piezas grandes con secciones gruesas y tiempos de ciclo mayores de
sesenta (60) segundos. Por otro lado, es posible obtener piezas con características rígidas,
durables y con la misma resistencia mecánica que con el plástico inyectado de forma sólida, pero
con un ahorro de resina de entre 15 y 30% (dependiendo de la pieza a inyectar); o incluso
también se puede producir una pieza con resistencia mayor a la obtenida por inyección
convencional(6).
Una desventaja del proceso de inyección de espuma estructural es que la superficie de los
productos tiende a ser rugosa. Si la aplicación necesita un buen acabado de la superficie se
requiere un procesamiento adicional como lijado y pintura o la adhesión de una chapa(6).
3.4.2. Aplicaciones del proceso.
Entre las aplicaciones que se obtienen de este proceso en base a las características de las
espumas y la disposición de controlar su comportamiento elástico, mediante una buena selección
de polímero base, se tienen recipientes para bebidas calientes, materiales estructurales aislantes
del calor y núcleos de paneles estructurales, materiales de empaque y almacenaje, materiales para
acolchonar muebles, camas y tableros para automóviles, productos que requieren flotabilidad,
equipos de oficina, elementos recreativos, tableros de baloncesto, juguetes, deslizadores y
elementos de construcción como puertas, formaletas, ventanas, bases para equipos de aire
acondicionado, ensambles para la construcción de piscinas desarmables, paletas y otros(3).
3.5. Paletas plásticas.
En su mayoría las paletas se fabrican con maderas de múltiples calidades, formatos y con la
capacidad de ser reutilizables. Sin embargo, a través del tiempo han surgido otros materiales que
14
han desplazado a la madera en ciertas aplicaciones, ya sea por características sanitarias, de peso,
costo, durabilidad, resistencia al frío, etc. Así, se pueden ver plataformas realizadas en metales
(aluminio, acero, chapa de hierro), cartón corrugado y en plásticos diversos (inyectados,
espumados, soplados, de moldeo rotacional, de lámina termoformada, extrudados macizos, de
compresión de residuos plásticos, etc.)(7).
En el caso específico de las paletas plásticas, su presencia en el mercado total de las paletas
está aumentando cada vez más, por lo que puede decirse que se fabrica una cifra significativa de
ellas al año. Este aumento se ha logrado debido a que satisfacen necesidades de algunas
industrias donde las fabricadas en madera no logran hacerlo ya sea por razones sanitarias, de
higiene y contaminación, por uso en áreas de alta humedad o que se requiera limpieza constante
con productos cáusticos, vapor o detergentes especiales, por la necesidad de uso en cámaras de
frío, por la posibilidad de optimizar el espacio en contenedores aéreos y marítimos, más la
reducción del peso de la paleta y de la carga total, por razones de resistencia a agentes químicos,
por necesidad de dimensiones constantes, entre otros(7).
Debido a que se utilizan para la movilización y almacenamiento de mercancía, los
requerimientos básicos de una paleta son el peso, las dimensiones, la cantidad de entradas para
montacargas y su capacidad de carga ya sea en condición estática, dinámica, en estantería
convencional y/o tipo túnel (estantería donde la paleta se encuentra apoyada en dos barras,
quedando sometida a flexión en tres puntos)(8).
3.6. Polietileno.
Los polietilenos son termoplásticos muy versátiles que se han ganado un sinfín de usos en
muchas áreas de aplicación, particularmente en películas y en el moldeo por inyección. Se han
convertido en importantes polímeros olefínicos que cada año van alcanzando un crecimiento más
significativo. La combinación de propiedades útiles, fabricación fácil y buenos aspectos
económicos ha originado que se les considere como materiales comerciales. Son resinas
termoplásticas producidas mediante procesos a alta y baja presión en los que se usan varios
sistemas catalíticos complejos. Como resultado, se obtienen varias familias de polietilenos (de
15
baja densidad, linal de baja densidad y de alta densidad), cada uno con características muy
diferentes de comportamiento y cualidades técnicas. En general, todos los polietilenos poseen
propiedades eléctricas excelentes, una resistencia inmejorable a los disolventes orgánicos y a
compuestos químicos. Son materiales translúcidos, de peso ligero, resistentes y flexibles(9).
La densidad de los polietilenos comerciales varía de 0,890 a 0,970 g/cm3 dependiendo del
contenido de ramificaciones, lo que a su vez tiene gran influencia en la distribución de pesos
moleculares, razón por la cual, los polietilenos no fluyen a una temperatura específica, sino que
tienen un rango de fusión. Así, el índice de fluidez (M.F.I.) depende del peso molecular, su
distribución, el grado de ramificaciones y otros parámetros moleculares(10).
3.6.1. Polietileno de Alta Densidad (PEAD).
En el caso de los polietilenos de peso molecular promedio, la densidad del homopolímero
PEAD se fija en 0,960−0,965 g/cm3, dependiendo del proceso de manufactura. Sin embargo, el
PEAD abarca el intervalo de densidades de 0,941 a 0,967 g/cm3 por el uso de copolímeros que
añaden ramificaciones laterales, reduciendo así la densidad. La densidad del PEAD se controla en
el proceso de manufactura mediante la cantidad de comonómero añadido al reactor(9).
El Polietileno de Alta Densidad es más rígido que los materiales de baja densidad con un
peso molecular inferior a los 300.000 g/mol, cuenta con una alta resistencia a la tracción, a la
compresión y cumple con los requisitos de la FDA (U.S. Food and Drugs Administration) para
entrar en contacto directo con alimentos, incluyendo aplicaciones de cocción. Por otro lado, el
PEAD tiene una excepcional resistencia al impacto siendo uno de los mejores termoplásticos
existentes en lo que a esta propiedad se refiere(11).
16
Por otro lado, sus propiedades se mantienen incluso a temperaturas extremadamente bajas. El
PEAD tiene resistencia al agrietamiento en medios químicamente activos (stress cracking
resistance) y una muy buena resistencia química a medios corrosivos (con la excepción de ácidos
oxidantes fuertes a elevadas temperaturas). Por otro lado, ni la humedad ni el agua (incluyendo el
agua salada) lo afecta(11).
3.6.2. Polietileno de Baja Densidad (PEBD).
El Polietileno de Baja Densidad (PEBD) es un sólido más o menos flexible según el grosor,
ligero y buen aislante eléctrico. Se trata de un material plástico que por sus características y bajo
coste se utiliza mucho en envasado, revestimiento de cables y en la fabricación de tuberías.
Abarca densidades entre los 0,910 y los 0,930 g/cm3, tiene un buen equilibrio entre propiedades
mecánicas y ópticas, además de una buena procesabilidad y bajo costo. (12)
Además, puede ser fabricado mediante diferentes técnicas para una gran variedad de
aplicaciones. Las propiedades de interés que lo caracterizan incluyen claridad óptica, flexibilidad,
tenacidad, alta resistencia al impacto, baja temperatura de fragilización, buena resistencia
química a solventes acuosos y buenas propiedades eléctricas. (12)
3.6.3. PEAD vs. PEBD.
A continuación en la Tabla 3.1. se muestran las correlaciones entre algunas propiedades de
diferentes polietilenos al incrementar la densidad. En comparación con el PEBD, el PEAD es más
rígido, tiene mejor resistencia al bloqueo, mejor resistencia química, brillo, dureza, conductividad
térmica y resistencia a la tracción, etc. Sin embargo, el PEBD es superior en cuanto a temperatura
de fragilización, resistencia al impacto, permeabilidad, transparencia y elongación a la ruptura,
entre otros(11).
17
Tabla 3.1. Correlaciones entre algunas propiedades de diferentes polietilenos(11).
Propiedad
Aumento de la densidad
Resistencia a la abrasión
+
Propiedades de barrera
+
Resistencia al bloqueo
+
Temperatura de fragilización
-
Resistencia química
+
Brillo
+
Dureza
+
Resistencia al impacto
-
Permeabilidad
-
Rigidez
+
Resistencia a tracción
+
Elongación a la ruptura
-
Conductividad eléctrica
-
Transparencia
-
(+) Aumenta. (-) Disminuye.
3.7. Polipropileno.
El polipropileno (PP) es un termoplástico que puede categorizarse ampliamente como
homopolímero o como copolímero. El homopolímero polipropileno tiene una dureza y una
resistencia térmica superiores a las del PEAD, pero una resistencia al impacto inferior y se vuelve
quebradizo por debajo de ~0°C. Como copolímero, posee otro monómero olefínico que
generalmente es el etileno, que actúa mejorando la resistencia al impacto u otras propiedades, por
lo tanto, es preferido para aplicaciones que se exponen a condiciones de frío/invierno. Además
tienden a ser más difíciles de fabricar, pero la nueva tecnología se ha ido encargando de que esto
desaparezca y no se convierta en un gran problema. Para los copolímeros, las aplicaciones se dan
en tubos, casco de barcos, asientos y piezas para el automóvil, por ejemplo, cajas de baterías y
18
parachoques aunque estos últimos suelen ser fabricados con polipropilenos modificados con
elastómeros.
Por su estructura, al pasar del polietileno al PP la sustitución de un grupo metilo cada dos
átomos de carbono de la cadena polimétrica principal restringe la rotación de las otras cadenas,
produciendo así un material más duro y menos flexible. Es más traslúcido que el PEAD, a veces
más que el PEBD y la amplia gama de propiedades que posee lo hace adecuado para una gran
variabilidad de aplicaciones en diferentes sectores. Por contener el grupo metilo aumenta la
temperatura de transición vítrea y tiene temperaturas de fusión y de deformación por calor
mayores a las del polietileno.
Por pertenecer, como se dijo anteriormente al grupo de los termoplásticos, el PP posee la
capacidad de fundirse a una temperatura determinada, además posee un comportamiento
viscoelástico que proporciona ante los ensayos de tracción, compresión, flexión y torsión,
resultados satisfactorios.
Entre sus propiedades físicas se destacan una densidad comprendida entre 0,90 y 0,93 g/cm3,
la cual permite la fabricación de productos ligeros. Es un material más rígido que la mayoría de
los termoplásticos, resiste hasta los 70°C bajo carga sin deformarse, posee una gran capacidad de
recuperación elástica, tiene una excelente compatibilidad con el medio y es fácil de reciclar. En
cuanto a sus propiedades mecánicas posee alta resistencia al impacto, puede utilizarse en calidad
de material para elementos deslizantes no lubricados, tiene buena resistencia superficial, dureza
superficial y estabilidad dimensional. Entre las propiedades químicas están su naturaleza apolar,
por lo que posee gran resistencia a agentes químicos, presenta poca absorción de agua, gran
resistencia a soluciones detergentes comerciales, pero una resistencia débil a los rayos UV (salvo
estabilización o protección previa).
19
Así mismo, el PP es el tercer plástico más importante desde el punto de vista de las ventas y
es uno de los de más bajo costo puesto que puede sintetizarse a partir de materiales petroquímicos
que a su vez son más económicos. Tiene además un buen equilibrio de propiedades interesantes
para producir muchos productos manufacturados; no se oxida, ni se deteriora, reduce la
permeabilidad, tiene alta resistencia a los ambientes alcalinos y ácidos y posee buena tenacidad.
Por todo esto, el polipropileno es considerado uno de los plásticos más competitivos hoy en
día(13).
Los diferentes procesos mediante los cuales se puede transformar el PP son
fundamentalmente inyección, extrusión, moldeo por soplado y calandrado. Es apto para el
termoformado y el conformado en frío. Además, por su alta resistencia a la deformación por
calor, es utilizado como material de protección y refuerzo en el transporte de mercancías. Entre
las ventajas que tiene el polipropileno están su peso reducido, el precio, la facilidad de
conformación y muchas otras que han establecido el uso del polipropileno para diversas
aplicaciones de nuestros tiempos. (13)
3.7.1. Polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP).
El polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP) está disponible principalmente en
dos formas, al azar y en bloque. La razón de ser de este copolímero es que posee buenas
propiedades de impacto a bajas temperaturas, así como la fase amorfa del PP cristalino. La
copolimerización al azar del polipropileno con 20% en peso de α-olefinas o más, permite obtener
un polímero más duro con una densidad de 0,86 g/cm3 y un significativo incremento de las
propiedades reológicas y a bajas temperaturas. En comparación con el PP homopolímero, el PPEP en bloque exhibe menor densidad, menor temperatura de fragilización, mayor resistencia al
impacto, mayor tenacidad y menor sensibilidad a entalla(10).
20
3.8. Mezclas de Poliolefinas.
Las mezclas de poliolefinas consisten en la unión de homopolímeros, copolímeros,
terpolímeros y similares de estructura diferente. En el caso de los copolímeros, terpolímeros y
similares, estos pueden ser al azar, alternados, en bloque, en forma de estrella, etc. La
importancia de mezclar polímeros consiste en la relación costo-desempeño que se obtiene. Un
polímero costoso cuyas propiedades son mayores a las que se necesitan para una cierta aplicación
puede ser mezclado con uno de menor costo cuyas propiedades son tales que hacen que la mezcla
tome una relación costo-desempeño atractiva para dicha aplicación. Así, el desempeño requerido
por esta última se satisface con la mezcla de polímeros comerciales sin la necesidad de
desarrollar un nuevo material o invertir en una nueva planta(10).
Las poliolefinas constituyen el grupo más grande de entre los termoplásticos comerciales,
teniendo en cuenta el volumen de uso de los mismos a nivel mundial. La familia de las
poliolefinas está constituida por los polietilenos (de alta, baja y lineal de baja densidad), el
polipropileno, los copolímeros de etileno-propileno en bloque y al azar, los copolímeros de
etileno con comonómeros diversos tales como acrilato de etilo, ácido acrílico, ácido metacrílico y
los ionómeros, etc. Entre ellos, los polietilenos y el polipropileno son los más utilizados. Aunque
suelen ser inmiscibles entre sí, existe cierto grado de compatibilidad mutua entre las poliolefinas.
La similitud de sus cadenas de hidrocarburos y la cercanía de sus parámetros de solubilidad,
aunque no suficiente para la miscibilidad, dan lugar a un grado relativamente bajo de tensión
superficial que permite la mezcla de las mismas. En general, poliolefinas cristalinas como el
PEAD y el PP se han mezclado con poliolefinas como PEBD, copolímero etileno-propileno y
poliisobutileno con el fin de incrementar su resistencia(15).
3.9. Propiedades.
En el caso de un material específico y su aplicación, no habría razón de
continuar con la determinación de sus propiedades si no fuera por el hecho desafortunado de que
21
todos los hombres y las máquinas están sujetos a cometer errores por una gran variedad de
razones. Es por eso que surge la necesidad de ensayar rutinariamente con la finalidad de detectar
desviaciones a modo de control de calidad del material y su aplicación. Para un nuevo material o
una nueva aplicación, es prudente determinar su desempeño antes de ser entregado al cliente,
pues éste busca cumpla con ciertos requerimientos. De esta manera, se hace necesaria la
determinación de los mismos y para ello existe una gran cantidad de ensayos que permiten
determinar el desempeño requerido. (14)
3.9.1. Indice de fluidez (M.F.I).
La viscosidad y las propiedades de flujo afectan tanto al tratamiento de los plásticos como al
diseño de los moldes. La viscosidad en fundido proporciona datos de mayor precisión, pero son
más habituales los valores del índice de fluidez, ya que las pruebas para su determinación
requieren poco tiempo(1).
El índice de fluidez es una medida de la cantidad de material en gramos extruida a través de
un pequeño orificio en 10 minutos a una presión y temperatura determinadas. El procedimiento
de la norma ASTM (ASTM D-1238) especifica temperaturas de 190°C para el polietileno y
230°C para el polipropileno. Un valor alto de este índice indica un material de escasa viscosidad.
Normalmente, los plásticos de viscosidad reducida tienen un peso molecular relativamente bajo.
Por el contrario, los materiales de peso molecular alta son resistentes al flujo y presentan valores
del índice de fluidez inferiores(1). En la Figura 3.5. se muestra un equipo de medida del índice de
fluidez.
22
Figura 3.5. Plastómetro.
3.9.2. Resistencia a la flexión.
La resistencia a la flexión mide la cantidad de tensión (carga) que se puede aplicar a un
material sin que se rompa. Al doblar una muestra, participan tanto fuerzas de tracción como de
compresión. Para medir la resistencia a la flexión según la norma ASTM (ASTM D-790), se
sujeta la muestra sobre bloques de ensayo separados por una distancia que depende de las
dimensiones del conjunto de probetas; luego la carga se aplica en el centro de las mismas (Figura
3.6.). Teniendo en cuenta que la mayoría de los plásticos no se rompen al someterlos a flexión, no
es fácil determinar la resistencia a la flexión en la fractura. En el método ASTM, en la mayor
parte de los termoplásticos y elastómeros, se mide al producirse un 5% de deformación en la
muestras. La forma de hallarla consiste en medir la carga en pascales que hace que la muestra se
estire un 5%(1).
23
Figura 3.6. Disposición de la probeta en un ensayo de flexión.
En la Figura 3.7. se muestra un equipo de ensayos universales en configuración para medir
resistencia a la flexión.
Figura 3.7. Montaje para flexión en un equipo de ensayos universales.
3.9.3. Resistencia al impacto.
La resistencia al impacto no es una medida del esfuerzo necesario para romper una muestra,
sino que indica la energía absorbida por la muestra antes de su fractura. Existen dos métodos
esenciales para determinar la resistencia al impacto: (A) Pruebas de caída de una masa y (B)
pruebas de péndulo.
24
(A) Pruebas de caída de una masa (ASTM D-1709). Estas pruebas de caída de masa suponen
el lanzamiento de una masa con forma de bola desde una altura determinada sobre una superficie
plástica. Generalmente, esta prueba se aplica a los recipientes, los elementos de mesa y los
cascos. Cuando se prueban películas, se usa un dardo romo en lugar de una masa más pesada. A
veces se deja deslizar la muestra hasta una cubeta, donde es golpeada por un yunque de metal. Se
puede repetir la prueba desde varias alturas. Si la muestra queda dañada, aparecerán en ella
grietas, descascarillados u otro tipo de fracturas.
Pruebas de péndulo (ASTM D-256). En las pruebas de péndulo se aplica la energía de un
péndulo oscilante que golpea la muestra de plástico. El resultado es una medida de la energía o
trabajo absorbido por la muestra. En el método Charpy, se sujeta la pieza por ambos extremos sin
sostenerla por debajo. El péndulo golpea la muestra en su centro. En el método Izod, el péndulo
golpea la pieza soportada en un extremo (Figura 3.8.). Las pruebas de impacto pueden especificar
muestras entalladas o sin entallar. En el método Charpy, la entalla se sitúa en el lado opuesto al
percutor, mientras que en el método Izod, se encuentra del mismo lado del percutor. En ambas, la
profundidad y el radio de la entalla pueden alterar notablemente la resistencia al impacto, sobre
todo si el polímero presenta sensibilidad al efecto de entalladura. Dado que para las medidas del
impacto se debe considerar el grosor de la muestra, los valores de resistencia al impacto se
expresan en julios por metro cuadrado (J/m2) o libras por pulgada de entalla(1). En la Figura 3.9.
se muestra un equipo para ensayos de impacto.
Figura 3.8. Configuraciones en prueba de impacto. (a) Charpy. (b) Izod. (1)
25
Figura 3.9. Impactómetro.
3.9.4. Temperatura de deflexión.
La temperatura de deflexión (antes denominada termodistorsión) es la máxima temperatura
continua de operación que puede soportar un material. Aunque, en general, los plásticos no se
emplean en entornos de mucho calor, algunos fenólicos especiales se someten a temperaturas de
hasta 2760°C. En la norma ASTM D-648, se coloca una pieza sobre soportes dispuestos a una
distancia de 100 mm; a continuación se ejerce una presión sobre la muestra de 455-1.820kPa. Se
eleva la temperatura 2°C por minuto y se registra el valor al que se flexiona la muestra de 0,25
mm como temperatura de deflexión(1). En la Figura 3.10. se muestra un equipo utilizado para
medir temperatura de deflexión.
26
Figura 3.10. Equipo utilizado para medir temperatura de deflexión.
3.9.5. Temperatura de fragilización.
Por regla general, los plásticos presentan una buena resistencia al frío. Los envases de
alimentos hechos de polietileno soportan habitualmente temperaturas de -51°C. Algunos llegan a
aguantar la temperatura extrema de -196°C con una pérdida mínima de sus propiedades físicas(1).
La naturaleza viscoelástica de los plásticos hace que el efecto de la temperatura en ellos sea
mucho más importante que para los materiales cerámicos y metálicos, ya que la disminución de
la temperatura tiende a promover la aparición de la fractura frágil. Es por ello que se hace
importante tener en cuenta el rango de temperatura que el material podría experimentar en
servicio y llevar a cabo ensayos de impacto a lo largo de ese rango en la medida de lo posible.
Cada polímero tiene sus características propias por lo que se deben considerar una serie de
factores que afectan el proceso de la absorción de energía durante la prueba de impacto con la
temperatura(14).
27
3.10. Antecedentes.
Muchos autores han considerado que existe cierta relación entre la resistencia a corto plazo
de los termoplásticos, a juzgar por su resistencia al impacto o por su temperatura de fragilización
y sus módulos y procesos de pérdida de propiedades determinadas por ensayos dinámicomecánicos. Si existe una tendencia en la resistencia al impacto inversamente relacionada con una
tendencia en el módulo dinámico, esto implica que el cambio en el comportamiento de impacto
es causado por algún fenómeno de movilidad molecular o de segmentos de cadena. Por el
contrario, si hay una tendencia en la resistencia al impacto, sin una tendencia relacionada en las
propiedades dinámicas, esto indica que la causa es un cambio en la gravedad de los defectos
estructurales o en algún factor que no afecta a la movilidad molecular. (16)
Para obtener detalles cuantitativos, Vincent(16) realizó el análisis estadístico de los resultados
obtenidos para veinte (20) termoplásticos a través de diferentes ensayos mecánicos, entre los
cuales se estudió la resistencia al impacto utilizando el método Charpy a varias profundidades de
entalla. Basado en el hecho de que el cambio más grande y más importante de resistencia al
impacto con la temperatura se produce en el rango relativamente estrecho de temperatura donde
el tipo de fractura cambia entre frágil y dúctil, donde bajo algunas condiciones este punto se
encuentra cercano a un proceso de relajación, Vincent dio razones para creer que es útil medir la
resistencia al impacto como función de la temperatura con la finalidad de predecir el desempeño
en servicio de los materiales. Encontró que la resistencia a corto plazo de los termoplásticos se ve
afectada por cambios en la movilidad molecular de dos maneras muy distintas, pues el 64% de la
variación de la resistencia al impacto puede ser explicada por una variación en el módulo de
dinámico y el resto por factores secundarios como los aditivos, los grupos laterales voluminosos
y el peso molecular.
Por otro lado, F. Ramsteiner et al.(17) estudiaron el incremento de la resistencia al impacto a
bajas temperaturas del PP mediante su modificación con polietileno. Basándose en el hecho de
28
que el PP es un termoplástico con deficiencia en aplicaciones a bajas temperaturas, ya que su
transición dúctil-frágil en resistencia al impacto corresponde con su temperatura de transición
vítrea y que para mejorar la tenacidad es comúnmente modificado mediante la adición de
partículas de caucho, consideraron dos materiales, una mezcla de copolímero de etileno-propileno
con 20% de PEAD y un copolímero de etileno-propileno en bloque. Fracturar al PP puro a bajas
temperaturas implica la formación de una grieta que termine en la fractura del material. La base
de la mejora de la resistencia al impacto es poder controlar dicha fractura. Con este objetivo en
mente, modificaron el PP preparando una mezcla de un copolímero de etileno-propileno con
PEAD y polimerizándolo con PE. Para ambos materiales, el ensayo de impacto realizado según la
norma ISO/R 179 reveló dos regiones donde se evidencia la movilidad de las moléculas en
relación al PP homopolímero: un proceso de relajación alrededor de los -50°C atribuido al
copolímero de etileno-propileno y otro a -130°C menos pronunciado para copolímeros, pero
perteneciente al PP homopolímero. En ambos casos la transición dúctil-frágil fue desplazada a
menores temperaturas, donde los procesos de relajación muestran una movilidad parcial de las
moléculas incluso hasta los -40°C.
Por otro lado, A. Hassan y B. Haworth(18) estudiaron el aumento de la resistencia al impacto
de los plásticos a través de la introducción de una fase dispersa de goma, ya que es uno de los
medios para desarrollar polímeros de alta resistencia al impacto y ha sido explotado
comercialmente a gran escala. Basándose en el hecho de que el caucho endurecido de PVC o
PVC de alto impacto es uno de los que ha sido más desarrollado y tiene una amplia gama de
aplicaciones al modificarlo con distintos tipos de modificadores de impacto comúnmente
utilizados para marcos de ventana como son el etileno clorado, el etileno-acetato de vinilo y los
modificadores de acrilato, estudiaron el efecto de la temperatura sobre la resistencia al impacto en
PVC de alto impacto modificado con acrilato mediante la prueba de impacto instrumentado por
caída de peso. Los resultados muestran que las mezclas de PVC con modificadores de acrilatos
desplazaron satisfactoriamente la temperatura de transición dúctil-frágil a menores temperaturas.
29
CAPÍTULO IV
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1. Materiales.
- Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en PEAD Venelene
®
2908 APUV de
composición 80% virgen, 20% recuperado y masterbatch con negro de humo (80/20) y 60%
virgen, 40% recuperado y masterbatch con negro de humo (60/40).En la Tabla 4.1. se muestran
las propiedades del PEAD 2908 APUV en estado puro.
Tabla 4.1. Propiedades del PEAD 2908 APUV puro(11).
Propiedades
Índice de Fluidez (190°C/2,16Kg)
Densidad
Propiedades generales
Módulo en flexión
Esfuerzo en flexión al 5% de
deformación
Esfuerzo de fluencia en tensión
Deformación en fluencia
Esfuerzo de ruptura en tensión
Deformación hasta ruptura
Resistencia al impacto Gardner
Temperatura VICAT
Aditivos
Antioxidantes
Ayudante de procesamiento
Estabilizantes UV
30
Unidades
g/10min
g/cm3
Valor
10,5
0,9600
Mpa
1000
MPa
26
MPa
%
MPa
%
KJ/m
°C
27
18
23
>1200
9
129
Dosis estándar
No contiene
Dosis estándar
- Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en Polipropileno copolímero
®
Propilven J440 de composición 100% virgen. En la Tabla 4.2. se presentan las propiedades del
PP J440 en estado puro.
Tabla 4.2. Propiedades del PP J440 puro. (12)
Propiedades
Índice de Fluidez (190°C/2,16Kg)
Propiedades generales
Módulo en flexión
Resistencia tensil a la ruptura
Resistencia al impacto Izod
Temperatura de deflexión (4,6 Kg/cm2)
Unidades
dg/min
Valor
5,0
MPa
MPa
J/m
°C
900
24
125
105
- Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en una mezcla de PP Copolímero
®
®
Propilven y PEAD Venelene 2908 APUV J440 bajo una formulación de 50% PP copolímero
y 50% PEAD (50/50).
- Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A. elaboradas en PEAD
®
Venelene 2908 APUV. Composición de las paletas: 80/20.
- Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A elaboradas en PP
®
Propilven J440. Composición de las paletas: 100% virgen.
- Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A elaboradas en una mezcla
de PP Copolímero Propilven
®
y PEAD Venelene
®
2908 APUV J440. Composición de las
paletas: 50/50. En la Tabla 4.3. se presentan las especificaciones técnicas de la paleta de código
ERB-0020.
Tabla 4.3. Especificaciones técnicas de la Paleta de código ERB-0020. (13)
Producto
ERB-0020
Peso
(Kg.)
19
Capacidad
estática (Kg)
4500
Capacidad en Rack
Convencional (Kg)
1500
31
Capacidad en
Rack Tipo Túnel (Kg.)
800
- Para realizar el ensayo de impacto porteriormente descrito se utilizó hielo seco, acetona y
nitrógeno líquido.
4.2. Equipos.
- Vernier digital marca MITUTOYO de apreciación ±0,01mm.
- Máquina de ensayos universales marca LLOYD Instruments modelo EZ 20 con montaje
para ensayo de flexión.
- Software de adquisición y análisis de ensayos de flexión PTCHAR versión 7.1.0.0
proporcionado por la sección de Polímeros del Laboratorio “E” de la Universidad Simón Bolívar.
- Montacargas marca CLARK, modelo GP25. Capacidad máxima de carga 2500Kg.
- Platinas para montaje de ensayos de flexión.
- Equipo de ensayos de impacto marca ZWICK.
- Pinza metálica.
- Termocupla marca Delta Ohm modelo HD8802, de apreciación 0,1°C.
- Cronómetro.
- Termómetro de apreciación 1°C.
- Equipo para medir temperatura de deflexión y Vicat marca C.S.I. Computer Scientific
Instrument, Inc.
- Balanza marca OHAUS de apreciación 1g.
- Balanza analítica marca OHAUS con precisión de 0,001g.
- Molino.
- Plastómetro marca Davenport. Plastics Testing Equipment. Melt Flow Rate Apparatus,
Model 3/80.
32
4.3. Metodología.
4.3.1. Flexión a nivel de laboratorio.
Se mecanizaron las probetas necesarias a partir de cortes varios de paletas elaboradas en
PEAD 80/20, PP 100/0 y Mezcla 50/50. Con el uso del vernier se midió el espesor y el ancho de
cada una. Una vez medidas todas las probetas, se identificaron y se procedió a realizar el montaje
para ensayos de flexión en la máquina de ensayos universales.
Posteriormente, siguiendo lo establecido en el procedimiento B de la norma ASTM-D790-03
se determinaron los parámetros necesarios como deflexión máxima, distancia entre apoyos y
velocidad de ensayo. Se colocó una probeta, se introdujeron los parámetros en el Software y se
inició el ensayo. Cuando la curva Fuerza [N] vs. Extensión [mm] alcanzó la deflexión máxima
establecida, el ensayo se detuvo y se procedió a desmontar la probeta. Seguidamente, se repitió lo
mismo para las demás probetas. En la Tabla 4.4. se presentan los parámetros de ensayo
correspondientes.
Luego de obtener las curvas, se calcularon el esfuerzo máximo en flexión (σfM) y el módulo
elástico en flexión (Ef) para todas las probetas. Finalmente, se determinó el esfuerzo máximo en
flexión promedio (<σfM>) y el módulo elástico en flexión promedio (<Ef>) para cada material.
Tabla 4.4. Parámetros de ensayo de las probetas.
Material
PEAD 80/20
PP 100/0
Mezcla
50/50
Parámetro
Teórico
Distancia entre Velocidad de ensayo,
Deflexión
apoyos, L [mm]
R [mm/min]
máxima, D [mm]
155
41,4
20,69
Experimental
150
41
30
Teórico
175
46,4
23
Experimental
180
46
33
Teórico
129
34,7
15,9
Experimental
135
35
26
33
4.3.2. Propiedades eléctricas.
Los ensayos realizados para determinar las propiedades eléctricas se llevaron a cabo según
los procedimientos establecidos por el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Simón
Bolívar. Estas propiedades se determinar con el propósito de obtener valores referenciales de las
misma, pues hasta la fecha no se ha encontrado bibliografía que reporte valores de éstas
correspondientes al material en estudio. Las condiciones de ensayo se encuentran a continuación
en la Tabla 4.5.
Tabla 4.5. Condiciones de ensayo para propiedades eléctricas.
Espesor promedio
muestra (m)
Voltaje, V
(KV)
Corriente, I [μA]
Impedancia, Z
[MΩ]
Resistencia, R
[MΩ]
0,008875
4,300
32,749
131,328
40,060
4.3.3. Índice de fluidez (M.F.I).
Para llevar a cabo el ensayo, se molieron varios cortes de productos marca Uniplast, C.A.
elaborados en una formulación 80/20 hasta obtener un tamaño de partícula lo suficientemente
pequeño para ingresarlo al plastómetro y una masa adecuada para llevar a cabo el ensayo por
triplicado. Luego, se siguió lo establecido en la Norma ASTM 1238-01 y se establecieron los
parámetros de ensayo, los cuales se muestran a continuación en la Tabla 4.6.
Tabla 4.6. Parámetros de ensayo del ensayo de índice de flujo.
Parámetro
Valor
Temperatura (°C)
190,0 ± 0,1
Peso (Kg)
2,16
Tiempo entre cortes (s)
30 ± 1
Masa inicial aprox. de cada muestra (g)
5,000
34
4.3.4. Temperatura máxima de uso. (Ensayo de Temperatura de Deflexión.)
Este ensayo se realizó con un equipo de ensayos universales siguiendo lo establecido en la
Norma ASTM D648, utilizando el método B, 1,82MPa en el parámetro S y una masa de 1,200Kg
(acorde al cálculo de los parámetros de ensayo). Para obtener la temperatura de deflexión se
mecanizaron, midieron y ensayaron cinco (5) probetas de cada material a sus respectivas
formulaciones a partir de cortes varios de paletas, luego se determinó el promedio del valor
obtenido y el error asociado.
4.3.5. Temperatura mínima de uso. (Ensayo de impacto a bajas temperaturas.)
Para evaluar la temperatura mínima de uso, se cortaron y entallaron probetas de impacto
para cada formulación y material según el número de temperaturas a las que se quería analizar la
resistencia al impacto (10 probetas por temperatura). En primer lugar, se sumergieron tres de
cada uno en un medio apropiado para que alcanzaran la temperatura más baja posible. Una vez
transcurrido el tiempo necesario de acuerdo al medio utilizado se sacó una de las probetas y con
el termómetro digital se procedió a medir la temperatura cada 15 segundos. Esto se repitió con las
probetas restantes clasificándolas según la formulación y el material. A continuación en la Tabla
4.7. se muestra el medio utilizado para cada una de las formulaciones y el tiempo necesario para
que se alcanzara la temperatura más baja posible.
Tabla 4.7. Medio empleado para cada una de las formulaciones.
Formulación
Medio empleado
Tiempo
PEAD 100/0
Nitrógeno líquido
10 min
PEAD 80/20
Acetona + Hielo seco
45 min
PEAD 60/40
Nitrógeno líquido
10 min
PP 100/0
Nitrógeno líquido
10 min
PP/PEAD
50/50
Nitrógeno líquido
10 min
35
Seguidamente, se procedieron a graficar los valores obtenidos y a realizar un ajuste para
establecer una expresión matemática que relacionara la temperatura con el tiempo para cada
formulación y material correspondiente. Una vez obtenidos los ajustes se determinaron los
minutos y segundos necesarios para que las probetas de cada formulación y material alcanzaran
las temperaturas establecidas dentro del rango térmico en el que se quería evaluar la resistencia al
impacto (Ver Apéndices B.1 y B.3.)
Por otro lado, se midió el espesor y la profundidad de la entalla para cada una de las
probetas, se sumergieron en el medio correspondiente y se determinó la resistencia al impacto a
cada temperatura utilizando la norma ASTM D6110-08 para ensayos de impacto Charpy y el
péndulo de 1 J con una energía asociada al aire de 0,03 J.
Es importante destacar que los conjuntos de probetas pertenecientes a cada formulación
estuvieron sumergidos el mismo tiempo en el que estuvieron sumergidas las probetas utilizadas
para realizar el ajuste en cada caso, esto para igualar las condiciones a las cuales se realizó este
último. En el caso de la formulación estándar se elaboraba una solución de acetona con hielo seco
nueva para cada diez (10) probetas, es decir, al terminar de ensayar las probetas correspondientes
a una temperatura se descartaba la solución en la que estaban sumergidas.
4.3.6. Flexión a nivel de planta. (Paleta extrafuerte ERB-0020.)
El ensayo fue realizado empleando la norma Venezolana 3858-1/ISO8611-1: “Paletas para el
manejo de materiales. Paletas planas. Parte 1. Métodos de ensayo” y la norma Venezolana
3861:2005: “Paletas Planas de uso general para el manejo de materiales. Requisitos de
desempeño”. A partir de ellas se observó el desempeño de la paleta extrafuerte de código EEA0020 elaborada tanto en PEAD 80/20 como en PP 100/0 y en PP/PEAD 50/50. El ensayo se
desarrolló bajo condiciones de Rack tipo Túnel, siendo este último el más crítico en cuanto a
resistencia a la flexión. En la Figura 4.1. se presenta la paleta elaborada en PEAD 100% virgen
durante el ensayo.
36
Figura 4.1. Carga máxima y de referencia en una paleta elaborada en PEAD 100/0.
A continuación en la Tabla 4.8. se muestran las condiciones de carga del ensayo de las
paletas en configuración Rack tipo Túnel tomadas en base a las especificaciones técnicas de los
productos.
Tabla 4.8. Condiciones de carga para los ensayos de flexión.
Producto
Configuración
Carga de
Referencia
Carga
Máxima
Deformación
Máxima Permitida
ERB-0020
Rack Tipo Túnel
200 Kg.
1000 Kg.
25 mm
Las mediciones se hicieron de manera que se tomaba la medida en la paleta con carga
máxima y era comparada con la medida de la paleta que sostenía la carga de referencia. La
diferencia entre ellas (deformación máxima permitida), según especificaciones de la norma, no
debía exceder los 25 mm. El método de tomar las medidas fue cada una (1) hora el primer día,
cada tres (3) el segundo y cada cuatro (4) el tercero, cuarto, quinto y sexto día.
37
CAPITULO V
RESULTADOS Y DISCUSIONES
5.1. Caracterización de la formulación estándar utilizada en la elaboración de paletas.
La razón por la cual se realizó el análisis expuesto a continuación es debido a que se han
reportado fallas en paletas sometidas a bajas temperaturas. Según estudios previos de la empresa,
se tienen como valores aproximados de temperaturas mínima y máxima de uso, -25°C y 65°C,
respectivamente. Sin embargo, no existe garantía alguna de ello ni de otras propiedades
características del material constitutivo de las paletas en estudio. A continuación en la Figura 5.1.
se muestra evidencia de la falla de paletas sometidas a bajas temperaturas. Seguidamente, en la
Tabla 5.1. se muestran las propiedades evaluadas en las paletas elaboradas con la formulación
estándar de PEAD.
Figura 5.1. Fractura de paletas a bajas temperaturas en Rack Tipo Túnel.
38
Tabla 5.1. Propiedades de los productos de formulación estándar en PEAD.
Propiedades
Propiedades mecánicas
Esfuerzo a la fractura, σfya (MPa)
Esfuerzo máximo, σfMa (MPa)
Módulo en flexión, Ef (GPa)
Propiedades eléctricas
Constante dieléctrica, tg(d)
Permitividad relativa, er
Resistencia de aislamiento, R (MW)
Propiedades térmicas
Índice de fluidez, M.F.I. (g/10min)
(190/2,16)
Temperatura de deflexión, (°C)
Temperatura de fragilización, (°C)
a
Valor
No se alcanza
31,5 ± 0,2
1,2 ± 0,1
1,193
57,667
8602,0
11,2 ± 0,2
67 ± 2
-10 ± 2
: A una deformación del 5%, punto límite de validez del ensayo. No equivale a ruptura.
En cuanto a las propiedades mecánicas, sólo se evaluó resistencia a la flexión debido a que es
el tipo de solicitación al cual se encuentran los productos elaborados con el material en estudio.
Si los valores obtenidos se comparan con los correspondientes a la resina virgen sin espumar(19).
En primer lugar, se observa que en ninguno de los dos casos se alcanza la fractura, lo cual está
relacionado con el carácter dúctil del material puro que al espumarlo no pierde dicha
característica. Al observar los valores de esfuerzo máximo, se tiene que el material espumado
presenta una mayor resistencia a la flexión, de lo que puede deducirse que la presencia de
burbujas internas o su estructura celular interna es la responsable de este resultado(6).
En cuanto al índice de fluidez, se obtuvo un mayor valor de esta propiedad en comparación
con la resina virgen inyectada convencionalmente. El comportamiento observado puede ser
atribuido al porcentaje de materia prima recuperada presente en la formulación; pues al tener una
historia térmica previa al procesamiento de los productos, puede haber experimentado fenómenos
de degradación que incrementan la fluidez del material.
Por otro lado, las propiedades eléctricas obtenidas fueron tomadas como referencia, pues hasta
la fecha no se ha encontrado bibliografía que reporte valores asociados al material en estudio
39
procesado mediante inyección de espuma estructural. Sin embargo, se encontraron valores
referenciales para el PEAD cargado con negro de humo(23), pero éstos no muestran concordancia
con los obtenidos ya que no se aproximan.
El ensayo de temperatura de deflexión se realizó con la finalidad de determinar la temperatura
a la cual el material experimentaba una deformación bajo flexión crítica para las condiciones a las
cuales fue sometido y considerarla como temperatura máxima de uso. Como se puede observar en
la Tabla 5.1, el material espumado presentó una temperatura de deflexión de (67±2)°C. Este
comportamiento se debe a que al aplicar una fuerza, las cadenas empiezan a moverse como
consecuencia del aumento de la temperatura y lo hacen en la dirección de aplicación de la fuerza,
hasta una temperatura donde el movimiento es tal que se observa la deformación de la pieza en sí.
Si se compara el valor obtenido con el reportado en la información técnica proporcionada por
la empresa, se tiene que considerando el error asociado, es exactamente el mismo. Según la
literatura(23), la temperatura máxima de trabajo continuo del polietileno cargado con negro de
humo (tal y como era el caso del material en estudio) está en los 70°C, por lo que puede
considerarse bastante satisfactorio el valor obtenido. Así, este ensayo permitió obtener una idea
de la temperatura a la cual una pieza elaborada a partir de dicho material experimenta una
deformación importante bajo carga.
Este ensayo se diseñó con la finalidad de determinar la temperatura a la cual el material
experimenta una pérdida considerable de su resistencia mecánica debido a su fragilización y
considerar el valor obtenido, como la temperatura mínima de uso o temperatura de fragilización.
En la Figura 5.1.2 se muestra el gráfico obtenido para determinar la temperatura de fragilización
de la formulación estándar utilizada actualmente.
40
6,2
Re sistencia al impacto (KJ/m 2)
5,8
5,4
5,0
4,6
4,2
3,8
PEAD
80/20
3,4
3,0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Te mperatura (°C)
Figura 5.2. Gráfico de Resistencia al Impacto vs. Temperatura para el PEAD 80/20.
En la Figura 5.2. se observa un salto brusco de la resistencia al impacto desde la temperatura
de -20°C a -15°C, lo cual puede deberse a que en ese rango de temperatura está ocurriendo la
transición vítrea del material. Sin embargo, de la teoría se sabe que el PEAD no posee una
transición diferente a la que ocurre a -120°C. Evidentemente, el estado vítreo lo alcanzan
diferentes polímeros a diferentes temperaturas, pues los que son más flexibles, con menos grupos
voluminosos en sus cadenas, pueden girar o permanecer flexibles a temperaturas menores que los
otros(24). Sin embargo, Vincent et al(16) realizaron el análisis estadístico de los resultados
obtenidos para veinte termoplásticos (incluido el PEAD) a través del estudio de la resistencia al
impacto en función de la temperatura, determinando que si existe una tendencia en esta
propiedad, sin una tendencia relacionada en las propiedades dinámicas (procesos de relajación),
la causa es un cambio en los defectos estructurales o en algún factor que no afecta a la movilidad
molecular. Es por ello que puede considerarse la temperatura de -15°C como la temperatura de
fragilización del material.
Si se analiza el valor de la densidad en sólido del PEAD utilizado en estado virgen, se puede
notar que es de 0,9600 g/cm3, por lo que puede considerarse el hecho de que la estructura del
material contenga algún tipo de ramificaciones laterales, provenientes de su proceso de
manufactura. Estas ramificaciones probablemente estén haciendo que exista esta reducción en las
41
propiedades mecánicas(9). Por otro lado, la presencia del material recuperado también puede ser la
causa de que el material se fragilice a esa temperatura; esto porque al hablar de material
recuperado se tiene un material con una historia térmica previa, que en el caso de estudio se
desconoce. Aunado a esto, es importante destacar que las probetas no presentaban un tamaño, ni
una distribución uniforme de celdas, por lo que es posible que esto sea una de las causas por las
cuales el material fragiliza en el rango de temperatura obtenido.
5.2. Efecto del porcentaje de material recuperado en la formulación de los productos
elaborados en PEAD.
Como complemento a la caracterización de la formulación estándar utilizada por la empresa
y con fines de control de calidad, se evaluó el efecto del porcentaje de material recuperado en la
formulación de los productos elaborados en PEAD. Para ello, se determinaron los valores de las
propiedades más relevantes de dos formulaciones diferentes (100/0 y 60/40) con la finalidad de
compararlos con los correspondientes a la formulación estándar (80/20). En la Tabla 5.2. se
muestran los valores de temperatura de deflexión obtenidos para cada una de las formulaciones
antes mencionadas.
Tabla 5.2. Temperatura de deflexión para diferentes formulaciones de PEAD.
Formulación
Temperatura de
deflexión, (°C)
100/0
65 ± 1
80/20
67 ± 2
60/40
65 ± 2
Al analizar los valores obtenidos se observa que no existe variación considerable de la
temperatura de deflexión entre las diferentes formulaciones de PEAD, por lo que se considera
que el porcentaje de materia prima recuperada presente en las mismas no afecta dicho valor. Este
comportamiento puede atribuirse al hecho de que en ninguno de los casos estudiados el
42
porcentaje de materia prima recuperada superó, o igualó al porcentaje de materia prima virgen,
por lo que se puede decir que existe una tendencia hacia las propiedades de esta última. Por otro
lado, es posible que el material deba ser reciclado un elevado número de veces para observar
alguna variabilidad en las propiedades.
Seguidamente, con la finalidad de determinar el efecto del porcentaje de materia prima
recuperada en la temperatura de fragilización, se determinó la variación de la resistencia al
impacto con la temperatura para las tres formulaciones estudiadas. En la Figura 5.3. se presentan
las curvas obtenidas para cada una de ellas.
6,2
5,8
Re sistencia al impacto (KJ/m 2)
5,4
5,0
4,6
4,2
PEAD 100/0
3,8
PEAD 80/20
3,4
PEAD 60/40
3,0
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Te mperatura (°C)
Figura 5.3. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes formulaciones de PEAD.
En la Figura 5.3. se observa que existe un cambio brusco en igual proporción de la
resistencia al impacto con la temperatura entre los -20°C y los -15°C para las tres formulaciones
estudiadas. Esto es indicativo de que el porcentaje de materia prima recuperada no afecta el rango
de temperatura en el cual el material se fragiliza; comportamiento que también puede explicarse
por el hecho de que el porcentaje de materia prima recuperada no superó o igualó al porcentaje de
materia prima virgen presente en la formulación. Aunado a esto, existe la posibilidad de que el
43
número de veces que fue reciclado el material no haya sido suficiente para observar alguna
variabilidad en esta propiedad.
Es importante destacar que a temperatura ambiente, la formulación con un 100% de materia
prima virgen presentó menor resistencia al impacto que las otras formulaciones; sin embargo, por
la desviación estándar de las tres formulaciones, los valores se encuentran solapados por lo que
no se considera relevante este comportamiento. Adicionalmente, es importante destacar que dicha
formulación no contenía material con una historia térmica previa (materia prima recuperada) y las
probetas presentaban una apariencia rígida, es decir, el tamaño de las celdas era bastante reducido
y la distribución de la mismas menos homogénea en comparación con las otras formulaciones,
por lo que se esperaba que tuviera una mejor resistencia al impacto.
A continuación en la Figura 5.4. se muestran imágenes representativas del espumado de las
probetas de PEAD 100/0 en comparación con las probetas de PEAD 80/20. Las probetas de color
azul corresponden a las probetas de PEAD 100/0 y las negras a las probetas mecanizadas a partir
de la formulación estándar utilizada por la empresa para la elaboración de sus productos.
Figura 5.4. Espumado de PEAD 100/0 (azules) y PEAD 80/20 (negras).
44
5.3. Comportamiento de los materiales alternativos propuestos.
Debido a las fallas que presentaron las paletas a bajas temperaturas y a la verificación de las
temperaturas mínima y máxima de uso de las mismas, se decidió buscar un material alternativo
para la elaboración de éstas. Con base en la teoría(10,15,16 y 17), se escogieron el Polipropileno (PP)
copolímero y una mezcla de éste con PEAD de proporción 50/50 a fin de ampliar el rango
térmico de uso de los productos elaborados por la empresa. La razón por la cual se escogieron
estos materiales es debido a que el PP copolímero, posee un porcentaje de etileno que actúa
mejorando la resistencia al impacto y es recomendado para aplicaciones que se exponen a bajas
temperaturas(12).
Otra de las razones por las cuales se escogió el PP copolímero como material alternativo es
por pertenecer al grupo de las poliolefinas, las cuales pueden ser recicladas sin mayores
inconvenientes. Esto, además del hecho de ser un material producido a nivel nacional.
Para caracterizar los posibles materiales alternativos se evaluaron la temperatura de deflexión,
la temperatura de fragilización, la flexión a nivel de laboratorio y a nivel de planta. En la Tabla
5.3. se presentan los valores de temperatura de deflexión de los diferentes materiales escogidos
para la elaboración de las paletas.
Tabla 5.3. Temperatura de deflexión de los materiales escogidos para la elaboración de las paletas.
Material y formulación
Temperatura de
deflexión, (°C)
PEAD 80/20
67 ± 2
PP 100/0
Mezcla 50/50
68 ± 1
68 ± 1
45
Si se analizan los valores obtenidos de temperatura de deflexión para cada uno de los
materiales estudiados, no existe variación entre los mismos, por lo que se considera que los
materiales escogidos no representan una opción para aumentar la temperatura máxima de uso de
los productos elaborados por la empresa.
Así mismo, se determinó la variación de la resistencia al impacto en función de la
temperatura para los materiales escogidos y sus respectivas formulaciones. En la Figura 5.5. se
presentan las curvas obtenidas para cada uno de ellos y para la formulación estándar utilizada por
la empresa.
Resistencia al impacto (KJ/m2 )
12,8
12,2
11,6
11,0
10,4
9,8
9,2
8,6
8,0
7,4
6,8
6,2
5,6
5,0
4,4
3,8
3,2
2,6
2,0
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
PEAD 80/20
PP 100/0
Mezcla 50/50
0
10
20
30
Temperatura (°C)
Figura 5.5. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes materiales.
En esta figura se observa que cada material experimenta una variación considerable de la
resistencia al impacto en un rango de temperatura diferente. Por un lado, como se mencionó en
párrafos anteriores, la formulación estándar actualmente utilizada por la empresa para la
elaboración de sus productos (PEAD 80/20) lo experimenta entre -20°C y -15°C, a diferencia del
PP 100/0 que lo hace a partir de los -10°C y finalmente la mezcla de PP copolímero con PEAD
de formulación 50/50 entre los -40°C y los -30°C. El comportamiento observado del PP 100/0 se
puede atribuir a que la temperatura de fragilización coincide con la temperatura de transición
46
vítrea del PP homopolímero (0°C); temperatura a la cual el material pasa de fracturar de manera
frágil a hacerlo de manera dúctil. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, se observa que
la mezcla experimenta una variación considerable de la resistencia al impacto entre los -40°C y
los -30°C, lo cual puede estar asociado a un proceso de relajación; por lo que puede considerarse
como temperatura de fragilización, -30°C para la mezcla y -10°C para el PP copolímero. Es
importante destacar que al comparar las probetas de un material con los otros, el espumado no
tenía las mismas características en cuanto a tamaño de celda ni distribución de la misma, lo cual
puede afectar los valores obtenidos.
Para determinar la factibilidad de uso de los materiales propuestos fue importante evaluar las
propiedades mecánicas a nivel de flexión ya que los productos están sometidos principalmente a
este tipo de solicitación. Se llevaron a cabo tanto ensayos de flexión a nivel de laboratorio como a
nivel de planta. En la Tabla 5.4. se muestran los valores de resistencia a la flexión a nivel de
laboratorio obtenidos para los materiales propuestos y para la formulación estándar utilizada por
la empresa para su comparación.
Tabla 5.4. Resistencia a la flexión a nivel de laboratorio de los materiales escogidos para la elaboración
de las paletas.
Propiedades
Esfuerzo a la fractura, σfya (MPa)
Esfuerzo máximo, σfMa (MPa)
Módulo en flexión, Ef (GPa)
PEAD 80/20
No alcanzada
31,5 ± 0,2
1,2 ± 0,1
PP 100/0
No alcanzada
31,3 ± 0,5
0,8 ± 0,02
Mezcla 50/50
-
Si se comparan los valores obtenidos para el PP copolímero con los de la formulación de
PEAD estándar, es posible determinar que no existe una variación considerable entre ellos, por lo
que a nivel de laboratorio los materiales presentan las mismas propiedades bajo flexión y
probablemente estén asociadas al espumado.
47
Por otro lado, las propiedades de flexión a nivel de laboratorio no pudieron ser obtenidas
para la mezcla de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 debido a la inmiscibilidad que
presentan ambos materiales. A continuación en la Figura 5.6. se muestran imágenes
representativas.
Figura 5.6. Imágenes representativas de la inmiscibilidad de la mezcla. Blanco: PP. Negro: PEAD.
A continuación en la Tabla 5.5. se muestran la máxima deformación alcanzada y máxima
deformación permitida por un mismo producto elaborado en los diferentes materiales propuestos
y en PEAD de formulación 100/0 para fines comparativos.
Tabla 5.5. Deformación bajo flexión de la ERB-0020 elaborada en diferentes materiales.
Material
PEAD 100/0
PP 100/0
Mezcla 50/50
Máx. deformación
alcanzada
19 mm
25 mm
23 mm
Máx. deformación
permitida
25 mm
25 mm
25 mm
Al observar los valores de la Tabla 5.5, se tiene que en ningún caso la máxima deformación
alcanzada supera a la máxima deformación permitida, por lo que se consideran satisfactorios los
resultados obtenidos. Sin embargo, la máxima deformación alcanzada por el producto elaborado
en PP copolímero corresponde con la máxima deformación permitida, por lo que no se considera
adecuado el uso de este material para la elaboración de las paletas. Es importante destacar que
48
por lo extenso del ensayo, es decir, por la cantidad de días requeridos para realizar el ensayo de
una paleta no fue posible ensayar varias para obtener un error asociado al resultado obtenido.
De esta manera, en base a las propiedades caracterizadas de los posibles materiales
alternativos se escogió la mezcla de PEAD con PP 50/50, pues aún cuando el ensayo de flexión a
nivel de laboratorio no fue posible realizarlo debido a la inmiscibilidad de los materiales, a nivel
de planta el producto elaborado con la misma presentó un buen desempeño y se logró disminuir
su temperatura mínima de uso.
5.4. Análisis de costo.
Para llevar a cabo el análisis de costo, se escogió un producto específico al cual calcularle el
incremento o la disminución del precio actual, tomando como base que el mismo sea elaborado
con una formulación 100/0 de PEAD (Paleta de código ERB-0020).
Es importante destacar que por motivos de confiabilidad, no fue posible presentar los costos
de producción de los productos elaborados con cada uno de los materiales propuestos y el
utilizado actualmente. En la Figura 5.7. se presenta la relación porcentual entre el costo de una
paleta elaborada con la formulación estándar y el costo de la misma al elaborarla con los
materiales alternativos.
49
Porcentaje, (%)
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
PEAD 80/20
PP 100/0
Mezcla 50/50
Materiales
Figura 5.7. Relación porcentual de costo.
En la Figura 5.7. se observa que elaborar el producto en PP copolímero con una formulación
de 100/0, genera un aumento de aproximadamente 43%, sin embargo, elaborarlo utilizando la
mezcla de PEAD con PP copolímero con una formulación de 50/50 solo genera un aumento de
aproximadamente 25% del costo actual. Es por ello que se considera como material alternativo
este último, ya que no sólo sugiere un menor incremento del costo actual en comparación con el
primero, sino que presenta las propiedades requeridas para la elaboración del producto. Es
importante destacar que aún cuando genera un mayor costo por unidad, la temperatura mínima de
uso disminuye en buena proporción y la resistencia a la flexión a nivel de planta además de la
temperatura de deflexión, se mantienen en comparación con la formulación estándar utilizada
actualmente.
50
CAPITULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones.
-
La presencia de materia prima recuperada en la formulación estándar del material
constitutivo de los productos elaborados incrementa ligeramente el índice de fluidez debido a la
degradación que presenta por tener una historia térmica previa; sin embargo, esta degradación no
afectó las propiedades mecánicas involucradas con la temperatura para los productos ensayados.
-
En cuanto a resistencia a la flexión a nivel de laboratorio, el PEAD espumado representa
una mejor opción si se compara con el material en estado puro.
-
El valor obtenido en un ensayo de temperatura de deflexión a nivel de laboratorio puede
considerarse como la temperatura máxima de uso de piezas elaboradas en el material constitutivo
de las probetas ensayadas. La temperatura de deflexión del material constitutivo de los productos
elaborados en PEAD obtenida fue de 67°C y no se ve afectada por el porcentaje de materia prima
recuperada presente en la formulación.
-
Es posible determinar mediante la evaluación de la resistencia al impacto a nivel de
laboratorio a diferentes temperaturas, la temperatura de fragilización de piezas completas y
considerarla como su temperatura mínima de uso. En el caso de los productos elaborados por la
empresa en PEAD, a -15°C sufren una pérdida significativa de su resistencia mecánica y lo hacen
indiferentemente del porcentaje de materia prima recuperada presente en la formulación.
51
-
Se estableció que el rango térmico de uso del material constitutivo de los productos
elaborados por la empresa en PEAD es de -15°C a 67°C.
-
La temperatura de deflexión no varió entre los materiales alternativos propuestos y el
material actualmente utilizado por la empresa, por lo que la temperatura máxima de uso no pudo
ser incrementada y se fija en 67 °C.
-
El PP copolímero presenta una temperatura de fragilización de -10°C, la cual se considera
como la temperatura mínima de uso de los productos elaborados con dicho material. La mezcla
de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 presenta una temperatura de fragilización de
-30°C y es la temperatura mínima de uso de los productos elaborados por la empresa en dicha
mezcla.
-
La resistencia a la flexión a nivel de laboratorio resultó aproximada a la correspondiente a
la mezcla estándar utilizada por la empresa en la elaboración de sus productos. Sin embargo,
debido a la inmiscibilidad de los materiales empleados en la formulación de la mezcla estudiada,
no se pudo evaluar su resistencia a la flexión a nivel de laboratorio.
-
Los materiales propuestos presentan un buen desempeño en cuanto a resistencia a la
flexión a nivel de planta. Sin embargo, no se recomienda el uso de PP copolímero debido a que el
valor obtenido se encuentra en el límite del valor permitido.
-
Se logró disminuir la temperatura de uso de las paletas de -15°C a -30°C con un
incremento del 25% en el costo de producción a través de la utilización de la mezcla de PP
copolímero con PEAD de formulación 50/50 en la elaboración de las mismas, por lo que se
recomienda el uso de la misma para la elaboración de las paletas que requieren un buen
52
desempeño a bajas temperaturas a pesar de la inmiscibilidad de la mezcla, pues presentó un buen
desempeño a nivel de planta.
6.2. Recomendaciones.
-
Evaluar las propiedades reológicas de la materia prima recuperada, ya que proporciona
información acerca de la historia térmica de la misma y del nivel de degradación, lo cual puede
llegar a afectar las propiedades del producto terminado.
-
Evaluar la uniformidad del espumado en las piezas elaboradas, ya que puede representar
un factor determinante en las propiedades de las mismas.
-
Evaluar el desempeño de otras formulaciones de la mezcla de PEAD con PP copolímero
en proporciones menores de este último, ya que la composición de la misma puede resultar
determinante en las propiedades y una manera de abaratar costos en caso de que exista la
posibilidad de utilizarse una menor cantidad de PP copolímero en la formulación de la misma.
Adicionalmente, se recomienda el uso de compatibilizantes para esta mezcla.
53
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55
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en Internet: http://www.textoscientificos.com/polimeros/temperatura. Consultado el 29 de Julio
2009.
56
APÉNDICE
Apéndice A. Ensayos de flexión del PEAD espumado.
A.1. Cálculo de los parámetros del ensayo de flexión a nivel de laboratorio.
A.1.1. Cálculo del espesor promedio, <d>p.
Para calcular el espesor promedio del conjunto de probetas a ensayar se utilizó la ecuación
A.1 que se muestra a continuación.
൏ ݀ ൐‫ ݌‬ൌ
݅ൌ͹
σ݅ൌͳ
݀݅
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૚ሻ
ú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
Donde:
<d>p: Espesor promedio [mm].
di: Espesor promedio de la probeta i [mm].
Número de probetas: Número de probetas ensayadas.
Modelo de cálculo: Probeta #1 PEAD 80/20.
57
൏ ݀ ൐‫ ݌‬ൌ
ሺͻǡ͸ͺ ൅ ͻǡͻͻ ൅ ͳͲǡͲͷ ൅ ͺǡͶ͹ ൅ ͳͲǡ͹Ͷ ൅ ͻǡͳͲ ൅ ͻǡͻͲሻ݉݉
ൌ ͻǡ͹݉݉
͹
El error asociado al espesor promedio del conjunto de probetas se determinó por desviación
estándar utilizando la ecuación A.2, la cual se presenta a continuación.
D ൏ ݀ ൐‫ ݌‬ൌ
Donde:
†‡•˜‡•–’ሺ݀݅ ሻ
ඥú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૛ሻ
D<d>p: Error asociado al espesor promedio [mm].
di: Espesor promedio de la probeta i [mm].
Número de probetas: Número de probetas ensayadas.
Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20. (siete probetas)
D ൏ ݀ ൐‫ ݌‬ൌ
†‡•˜‡•–’ሺͻǡ͸ͺǢ ͻǡͻͻǢ ͳͲǡͲͷǢ ͺǡͶ͹Ǣ ͳͲǡ͹ͶǢ ͻǡͳͲǢ ͻǡͻͲሻ݉݉
ξ͹
ൌ Ͳǡ͵݉݉
A.1.2. Cálculo de la distancia entre apoyos, L.
Para calcular la distancia entre apoyos requerida para realizar el ensayo, ésta se determinó
siguiendo los lineamientos de la norma ASTM-D790-0 con la ecuación A.3 mostrada a
continuación.
‫ ܮ‬ൌ ͳ͸ ൏ ݀ ൐‫ ݌‬ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૜ሻ
58
Donde:
L: Distancia entre apoyos [mm].
<d>p: Espesor promedio [mm].
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
‫ ܮ‬ൌ ͳ͸ ൈ ͻǡ͹݉݉ ൌ ͳͷͷǡʹ݉݉
A.1.3. Cálculo de la velocidad de ensayo de flexión, R.
Este parámetro también se calculó según lo establecido en la Norma correspondiente,
utilizando la ecuación A.4.
ܴൌ
ܼ‫ʹܮ‬
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૝ሻ
͸ ൏ ݀ ൐‫݌‬
Donde:
R: Velocidad de ensayo [mm/min]
Z: grado de tensión en la fibra más externa: 0,01mm/mm/min para el procedimiento A de la
norma y 0,1mm/mm/min para el procedimiento B.
L: Distancia entre apoyos [mm].
<d>p: espesor promedio [mm].
59
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
Ͳǡͳ݉݉
ൈ ሺͳͷͷǡʹ݉݉ሻʹ
݉݉Ǥ
݉݅݊
ܴൌ
ൌ ͶͳǡͶ݉݉Ȁ݉݅݊
͸ ൈ ͻǡ͹݉݉
A.1.4. Cálculo de la deflexión máxima.
Para determinar la deflexión máxima, se utilizó la ecuación A.5 siguiendo lo establecido en
la norma correspondiente al ensayo.
‫ܦ‬ൌ
‫ʹܮݎ‬
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૞ሻ
͸ ൏ ݀ ൐‫݌‬
Donde:
D: deflexión máxima [mm].
r: tensión en la fibra externa: 0,05 mm/mm.
L: distancia entre apoyos [mm].
<d>p: espesor promedio [mm].
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
‫ܦ‬ൌ
݉݉
ͲǡͲͷ ݉݉ Ǥ ሺͳͷͷǡʹ݉݉ሻʹ
͸ሺͻǡ͹݉݉ሻ
60
ൌ ʹͲǡ͸ͻ݉݉
A.2. Datos recolectados del ensayo de flexión.
Para cada probeta se obtuvo una curva Fuerza vs. Extensión como la que se muestra a
continuación en la Figura A.2.1.
Figura A.2.1. Gráfico ejemplo de Fuerza [N] vs. Extensión [mm].
Una vez obtenidas todas las curvas, se extrajeron las de Esfuerzo vs. Deformación. Un
ejemplo se muestra a continuación en la Figura A.2.2. Para llevar esto a cabo, se utilizó la opción
Gráfico: Esfuerzo vs. Deformación del Software.
61
5% de deformación
Figura A.2.2. Gráfico ejemplo de Esfuerzo [MPa] vs. Deformación [%].
Una vez obtenido el gráfico de Esfuerzo vs. Deformación para cada probeta se determinó el
esfuerzo en flexión máximo, el cual corresponde al 5% de deformación y a partir de la pendiente
de la región donde se consideró que ambos parámetros llevan una relación lineal, se determinó el
módulo en flexión.
A.3. Cálculo del esfuerzo máximo en flexión promedio.
Para determinar este valor, se utilizó la ecuación A.6 la cual permite obtener un promedio de
los valores obtenidos para cada una de las probetas ensayadas.
൏ ߪ݂‫ ܯ‬൐ൌ
σ‹ൌ͹
݅ൌͳ ߪ݂‫݅ ܯ‬
ú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
62
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૟ሻ
Donde:
<σfM>: Esfuerzo máximo en flexión promedio [MPa].
σfMi: Esfuerzo máximo en flexión de la probeta i [MPa].
Número de probetas: Número de probetas ensayadas.
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
൏ ߪ݂‫ ܯ‬൐ൌ
ሺ͵Ͳǡͻ ൅ ͵ʹǡ͹ ൅ ͵ͳǡ͵ ൅ ͵ͳǡͶ ൅ ͵ͳǡͳ ൅ ͵ͳǡͻ ൅ ͵ͳǡͷሻƒ
ൌ ͵ͳǡͷ‫ܽܲܯ‬
͹
Para calcular el error asociado al esfuerzo máximo en flexión, se utilizó la ecuación A.7, la
cual se muestra a continuación.
D ൏ ߪ݂‫ ܯ‬൐ൌ
‹ൌ͹
†‡•˜‡•–’ሺ ‹ൌͳ
ߪ݂‫ ݅ ܯ‬ሻ
ඥú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૠሻ
Donde:
D<σfM>: Error asociado al esfuerzo máximo en flexión [MPa].
σfMi: Esfuerzo máximo en flexión de la probeta i [MPa].
Número de probetas: Número de probetas ensayadas.
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
63
D ൏ ߪ݂‫ ܯ‬൐ൌ
†‡•˜‡•–’ሺ͵ͲǡͻǢ ͵ʹǡ͹Ǣ ͵ͳǡ͵Ǣ ͵ͳǡͶǢ ͵ͳǡͳǢ ͵ͳǡͻǢ ͵ͳǡͷሻƒ
ξ͹
ൌ Ͳǡʹ‫ܽܲܯ‬
A.4. Cálculo del Módulo en flexión promedio.
Para determinar esta propiedad, se utilizó la ecuación A.8 la cual permite obtener un
promedio de los valores obtenidos para cada una de las probetas ensayadas.
൏ ‫ ݂ܧ‬൐ൌ
σ‹ൌ͹
݅ൌͳ ˆ‹
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૡሻ
ú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
Donde:
<Ef>: Módulo en flexión promedio [MPa].
Efi: Módulo en flexión de la probeta i [MPa].
Número de probetas: Número de probetas ensayadas.
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
൏ ‫ ݂ܧ‬൐ൌ
ሺͳǡͳʹͷ ൅ ͳǡͳͲͲ ൅ ͲǡͻͲͳ ൅ ͳǡͲ͸ͷ ൅ ͳǡ͹ͻ͵ ൅ ͳǡͲͻͳ ൅ ͳǡʹͳʹሻƒ
ൌ ͳǡʹ‫ܽܲܯ‬
͹
Para calcular el error asociado al módulo en flexión promedio, se utilizó la ecuación A.9, la
cual se muestra a continuación.
64
D ൏ ߪ݂‫ ܯ‬൐ൌ
†‡•˜‡•–’൫ ‹ൌ͹
‹ൌͳˆ ‹ ൯
ඥú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
ሺࡱࢉǤ ࡭Ǥ ૢሻ
Donde:
D<σfM>: Error asociado al esfuerzo máximo en flexión [MPa].
σfMi: Esfuerzo en flexión máximo de la probeta i [MPa]
Número de probetas: Número de probetas ensayadas
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
D ൏ ‫ ݂ܧ‬൐ൌ
†‡•˜‡•–’ሺͳǡͳʹͷǢ ͳǡͳͲͲǢ ͲǡͻͲͳǢ ͳǡͲ͸ͷǢ ͳǡ͹ͻ͵Ǣ ͳǡͲͻͳǢ ͳǡʹͳʹሻ
ξ͹
ൌ Ͳǡͳ‫ܽܲܯ‬
Apéndice B. Ensayo de impacto a bajas temperaturas.
B.1. Ajustes realizados para cada uno de los materiales y su formulación.
En las Figuras B.1.1, B.1.2, B.1.3, B.1.4 y B.1.5. se muestran las curvas obtenidas para la
realización del ajuste de cada uno de los materiales estudiados y su respectiva formulación,
además de la ecuación correspondiente a dicho ajuste.
65
30,0
20,0
Temperatura (°C)
10,0
0,0
-10,0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
Tiempo (seg)
-20,0
-30,0
T=18,05-94,53.0,99t
-40,0
Valores obtenidos
-50,0
Ajuste
-60,0
-70,0
Figura B.1.1. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 80/20.
30,0
20,0
Temperatura (°C)
10,0
0,0
-10,0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
Tiempo (seg)
-20,0
T=17,14-155,95.0,99t
-30,0
-40,0
Valores obtenidos
Ajuste
-50,0
-60,0
Figura B.1.2. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 60/40.
66
20
10
Temperatura (°C)
0
-10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Tiempo (seg)
-20
T=13,54-163,98.0,99t
-30
-40
Valores obtenidos
-50
Ajuste
-60
-70
Figura B.1.3. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 100/0.
20
10
Temperatura (°C)
0
-10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Tiempo (seg)
-20
-30
T=17,55-128,75.0,99t
-40
-50
Valores obtenidos
-60
Ajuste
-70
-80
Figura B.1.4. Curvas obtenidas para el ajuste de PP de formulación 100/0.
67
20
10
Temperatura (°C)
0
-10
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
Tiempo (seg)
-20
-30
T=13,22-128,45.0,99t
-40
Valores obtenidos
-50
Ajuste
-60
-70
Figura B.1.5. Curvas obtenidas para el ajuste de la mezcla de formulación 50/50.
B.2. Determinación del tiempo requerido para que las probetas alcanzaran cada una de
las temperaturas de ensayo.
Para determinar el tiempo requerido, este parámetro se despejó de la ecuación del ajuste
correspondiente a cada uno de los materiales y su formulación respectiva. La ecuación B.1.
corresponde al ajuste de PEAD con formulación 80/20 y fue utilizada para dar un ejemplo de
cálculo.
Donde:
ͳͺǡͲͷ െ ܶ
Ž‘‰༌
ሺ
ሻ
ͻͶǡͷ͵
‫ݐ‬ൌ
ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૚Ǥ ሻ
Ž‘‰༌
ሺͲǡͻͻሻ
t: tiempo (seg.)
68
T: Temperatura (°C)
Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20 a -30°C.
Si queremos calcular el tiempo para que las probetas alcanzaran -30°C, introducimos este
valor en T.
ͳͺǡͲͷ െ ሺെ͵Ͳሻ
Ž‘‰༌
ሺ
ሻ
ͻͶǡͷ͵
‫ݐ‬ൌ
ൌ ͺͺǡ͵•‡‰ ؆ ͳ ‹ …‘ʹͺ•‡‰Ǥ
Ž‘‰༌
ሺͲǡͻͻሻ
B.3. Tiempos requeridos por cada material para alcanzar cada temperatura de ensayo.
En la Tabla B.3.1. se muestran los tiempos requeridos por cada material para alcanzar cada
una de las temperaturas de ensayo.
Tabla B.3.1. Tiempos requeridos para cada temperatura de ensayo.
Temperatura
-10
-20
-25
-30
-40
-45
-50
-60
PEAD 100/0
2:58
2:26
2:13
2:01
1:42
1:34
-
PEAD 80/20
2:38
1:59
1:42
1:28
1:03
-
Tiempo (min:seg)
PEAD 60/40
3:14
2:39
2:25
2:12
1:51
-
69
PP 100/0
3:39
2:55
2:21
1:54
1:31
1:12
Mezcla 50/50
4:11
3:19
2:40
2:09
-
B.4. Cálculo de la Resistencia al Impacto de cada probeta.
Para calcular la resistencia al impacto se utilizó la ecuación B.2, que se muestra a
continuación.
ܴǤ ‫ ݌ܫ‬ൌ
‫ ݌ܧ‬െ ‫ܽܧ‬
ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૛ሻ
ͳͲͲͲ ൈ ‫݌ܣ‬
Donde:
R.I.p: Resistencia al impacto de cada probeta (KJ/m2).
Ep: Energía requerida por la probeta (J).
Ea: Energía asociada al aire (J).
Ap: Área trasversal de la probeta (m2).
Modelo de cálculo: Probeta #1 a temperatura ambiente
ܴǤ ‫ܫ‬Ǥ‫ ݌‬ൌ
‫ܬܭ‬
Ͳǡ͵͹Ͳ‫ ܬ‬െ ͲǡͲ͵‫ܬ‬
ൌ ͸ǡ͹ͺ ʹ
െͷ
ʹ
ሺͳͲͲͲ ൈ ͷǡͲʹ‫ ݉ Ͳͳݔ‬ሻ
݉
B.5. Cálculo de la resistencia al impacto por temperatura.
Para calcular la resistencia al impacto por condición se sacó un promedio de la resistencia al
impacto del conjunto de probetas ensayadas a una misma temperatura. Este promedio se
determinó con la ecuación B.3, que se muestra a continuación.
70
ܴǤ ‫ܫ‬Ǥ ܶ݅ ൌ
σ݅ൌͳͲ
݅ൌͳ ܴǤ ‫ܫ‬Ǥ‫݅݌‬
ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૜ሻ
ú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
Donde:
R.I.Ti: Resistencia al impacto del conjunto de probetas ensayadas a la temperatura i. (KJ/m2)
R.I.pi: Resistencia al impacto de la probeta i (KJ/m2)
Número de probetas: Número de probetas ensayadas a la temperatura i.
Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20.
ܴǤ ‫ܫ‬Ǥ ܶ݅ ൌ
ሺ͸ǡ͹ͺ ൅ ͸ǡͶͷ ൅ Ͷǡ͹͸ ൅ ͷǡͲͲ ൅ Ͷǡ͵ͷ ൅ Ͷǡ͹Ͷ ൅ ͷǡͻͻ ൅ ͸ǡͻͳ ൅ ͷǡ͹͸ ൅ Ͷǡͺͷሻ
ൌ ͷǡͷ͸
ͳͲ
‫ܬܭ‬
݉ʹ
‫ܬܭ‬
݉ʹ
Para calcular el error asociado a este valor, se utilizó la ecuación B.4 que se muestra a
continuación.
DܴǤ ‫ܫ‬Ǥ ܶ݅ ൌ
݀݁‫݌ݐݏ݁ݒݏ‬ሺܴǤ ‫ܫ‬Ǥ‫ ݌‬ሻ
ඥú‡”‘†‡’”‘„‡–ƒ•
ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૝ሻ
Donde:
DR.I.Ti: Error de la resistencia al impacto del conjunto de probetas ensayadas a la
temperatura i. (KJ/m2).
R.I.p: Resistencia al impacto de las probetas (KJ/m2)
71
Número de probetas: Número de probetas ensayadas a la temperatura i.
Módelo de Cálculo: Probetas de PEAD 80/20 a temperatura ambiente.
DܴǤ ‫ܫ‬Ǥ ܶ݅ ൌ
݀݁‫݌ݐݏ݁ݒݏ‬ሺ͸ǡ͹ͺǢ ͸ǡͶͷǢ Ͷǡ͹͸Ǣ ͷǡͲͲǢ Ͷǡ͵ͷǢ Ͷǡ͹ͶǢ ͷǡͻͻǢ ͸ǡͻͳǢ ͷǡ͹͸Ǣ Ͷǡͺͷሻ ‫ܬܭ‬
‫ܬܭ‬
ൌ Ͳǡ͵ ʹ
ʹ
݉
݉
ξͳͲ
B.6. Cálculo del error asociado a la temperatura.
Para calcular el error asociado a la temperatura, se midió el tiempo de retardo promedio en
ensayar una probeta (5 segundos). Luego se introdujo este valor en la ecuación B.5 (despeje de la
temperatura a partir de la ecuación B.1) sumado a uno de los tiempos asociado a cierta
temperatura para ver a que valor llegaba al haber tardado solo 5 segundos en ensayar la probeta.
Seguidamente, se introdujo este valor en la ecuación B.6, y se determinó el error.
Donde:
ܶ ൌ ͳͺǡͲͷ െ ͻͶǡͷ͵ ൈ Ͳǡͻͻ‫ ݐ‬ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૞ሻ
T: Temperatura (°C).
t: Tiempo.
Donde:
Dܶ ൌ ܶ‫ ݌‬െ ܶ‫ ݎ‬ሺࡱࢉǤ ࡮Ǥ ૟ሻ
DT: Error asociado a la temperatura (°C)
Tp: Temperatura a la que se quiere ensayar la probeta (°C).
Tr: Temperatura real de la probeta (calculada con 5 segundos más). (°C).
72
Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20.
Si debíamos esperar 1 minuto con 28 segundos para alcanzar una temperatura de -30°C,
introducimos en la ecuación un minuto con veintiocho segundos (88 segundos) más cinco
segundos (5 segundos), es decir un minuto con treinta y tres segundos (93 segundos) para
determinar la temperatura real a la que iba a llegar la probeta tomando en cuenta el tiempo de
retraso.
Entonces,
ܶ ൌ ͳͺǡͲͷ െ ͻͶǡͷ͵ ൈ Ͳǡͻͻͻ͵ ൌ െʹͺǡ͵°‫ ܥ‬؆ െʹͺ°‫ܥ‬
Dܶ ൌ െʹͺ°‫ ܥ‬െ ሺെ͵Ͳ°‫ܥ‬ሻ ൌ ʹ°‫ܥ‬
Es decir, la temperatura iba a ser sólo 2°C mayor que la escogida.
Nota: Este cálculo se hizo para varias temperaturas y se obtuvo el mismo resultado para
todos los materiales y formulaciones estudiadas.
73
Apéndice C. Ensayo de temperatura de deflexión.
C.1. Fuerza requerida para cada probeta.
Para calcular la fuerza requerida por cada probeta para determinar su temperatura de
deflexión, se utilizó la ecuación C.1. que se muestra a continuación.
ʹܾܵ݀ʹ
‫ ݅ܨ‬ൌ
ሺࡱࢉǤ ࡯Ǥ ૚ሻ
͵‫ܮ‬
Donde:
S: Esfuerzo en la fibra externa. 1,82MPa.
b: Ancho de la probeta (mm).
d: Espesor de la probeta (mm).
L: distancia entre apoyos. 100mm.
Modelo de cálculo: Probeta #1 de PEAD 80/20.
‫ ݅ܨ‬ൌ
ʹሺͳǡͺʹ‫ܽܲܯ‬ሻሺͳ͵ǡͲͻ݉݉ሻሺͺǡʹͳ݉݉ሻʹ
ൌ ͳǡͲͻͳ‫݃ܭ‬Ǥ
͵ሺͳͲͲ݉݉ሻͻǡͺͲ͸͸ͷ
C.2. Masa requerida (mw).
Para calcular la masa requerida para llevar a cabo el ensayo se utilizó la ecuación C.2 que se
muestra a continuación.
74
݉‫ ݓ‬ൌ
Donde:
݅ǣͷ
σ݅ǣͳ
‫݅ܨ‬
ሺࡱࢉǤ ࡯Ǥ ૛ሻ
ܰú݉݁‫ݏܽݐܾ݁݋ݎ݌݁݀݋ݎ‬
mw: masa requerida.
Fi: fuerza calculada para la probeta i.
Número de probetas: Número de probetas a ensayar.
Modelo de cálculo: PEAD 80/20.
݉‫ ݓ‬ൌ
ሺͳǡͲͻʹǢ ͳǡͳͺ͸Ǣ ͳǡʹʹʹǢ ͳǡ͵ʹͺǢ ͳǡͷͶ͹ሻ‫݃ܭ‬
ൌ ͳǡʹ͹ͷ‫݃ܭ‬Ǥ
ͷ
Apéndice D. Ensayo de Índice de Fluidez (M.F.I.)
D.1. Datos obtenidos del ensayo.
A continuación en la tabla D.1.1 se muestran las masas de cada uno de los cortes hechos para
cada muestra.
Tabla D.1.1. Masas de cada corte hecho a cada una de las muestras ensayadas.
Muestra
1
2
3
Masa ± 0.001 (g)
Corte (a) Corte (b) Corte (c)
0,575
0,511
0,567
0,597
0,523
0,554
0,603
75
D.2. Cálculo del M.F.I. de cada uno de los cortes.
Para determinar el índice de flujo de cada corte se utilizó la ecuación 4.1 que se muestra a
continuación.
‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ݅ ൌ ݉݅ Ǥ ‫ܨ‬ሺࡱࢉǤ ࡰǤ ૚ሻ
Donde:
M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i. (g/10min)
mi: masa del corte i. (g)
F: Factor para obtener el índice de fluidez en g/min. (20,00)
Modelo de cálculo: Corte #1 de la muestra (a).
‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ݅ ൌ Ͳǡͷ͹ͷ݃Ǥ ʹͲǡͲͲ ൌ ͳͳǡͷ݃ȀͳͲ݉݅݊
D.3. Cálculo del índice de fluidez del material.
Para determinarlo se incluyeron los cortes de cada muestra para sacar un valor total. A
continuación se muestra la ecuación utilizada (Ecuación D.2.).
σ݅ǣ͹
݅ǣͳ ‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ݅
ሺࡱࢉǤ ࡰǤ ૛ሻ
‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ ൌ
ܰú݉݁‫ݏ݁ݐݎ݋ܿ݁݀݋ݎ‬
76
Donde:
M.F.I.: Índice de fluidez del material. (g/10min)
M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i. (g/10min)
Número de cortes: Siete (7).
Cálculo:
‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ ൌ
ሺͳͳǡͷͲǢ ͳͳǡ͵ͶǢ ͳͲǡͶ͸Ǣ ͳͲǡʹʹǢ ͳͳǡͻͶǢ ͳͳǡͲͺǢ ͳʹǡͲ͸ሻ݃ȀͳͲ݉݅݊
ൌ ͳͳǡʹ݃ȀͳͲ݉݅݊
͹
El error asociado se determinó mediante la ecuación D.3.
D‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ ൌ
݀݁‫݌ݐݏ݁ݒݏ‬ሺ‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ݅ ሻ
ξ݊ú݉݁‫ݏ݁ݐݎ݋ܿ݁݀݋ݎ‬
ሺࡱࢉǤ ࡰǤ ૜ሻ
Donde:
DM.F.I.: Error asociado al índice de fluidez del material (g/10min)
M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i.
Número de cortes: Siete (7).
Cálculo:
D‫ܯ‬Ǥ ‫ܨ‬Ǥ ‫ܫ‬Ǥ ൌ
݀݁‫݌ݐݏ݁ݒݏ‬ሺͳͳǡͷͲǢ ͳͳǡ͵ͶǢ ͳͲǡͶ͸Ǣ ͳͲǡʹʹǢ ͳͳǡͻͶǢ ͳͳǡͲͺǢ ͳʹǡͲ͸ሻ݃ȀͳͲ݉݅݊
ξ͹
ൌ Ͳǡʹ݃ȀͳͲ݉݅݊
77
Apéndice E. Ensayo de flexión del producto EEA-0020.
E.1. Cálculo de la deformación alcanzada (da).
Para determinar la deformación alcanzada se utilizó la ecuación E.1 que se muestra a
continuación.
Donde:
dܽ ൌ ݄ܿܽ‫ ݉ ܽ݃ݎ‬á‫ݔ‬Ǥ െ ݄ܿܽ‫ ݂݁ݎ ܽ݃ݎ‬Ǥ ሺࡱࢉǤ ࡱǤ ૚ሻ
da: Deformación alcanzada (mm).
hcarga máx.: altura bajo carga máxima (mm).
hcarga ref.: altura bajo carga de referencia (mm).
Modelo de cálculo: Paleta elaborada en PEAD 80/20.
dܽ ൌ ͳͶ݉݉ െ ͹݉݉ ൌ ͹݉݉
E.3. Deformación máxima alcanzada.
La deformación máxima alcanzada se determinó cuando la deformación alcanzada se
estabilizó en función del tiempo, es decir, fue el último valor obtenido antes de finalizar el
ensayo.
78