200220_madera_plastica_quimica

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE GRANZA DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE POLIETILENO RECICLADO CON PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS (ASERRÍN).

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

MARÍA VERÓNICA JARA SALME ([email protected])

DIRECTOR: ING. FRANCISCO QUIROZ ([email protected])

QUITO, DICIEMBRE 2015

© Escuela Politécnica Nacional (2015) Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo, María Verónica Jara Salme, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_____________________ María Verónica Jara Salme

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por la Srta. María Verónica Jara Salme, bajo mi supervisión.

_________________________ Ing. Francisco Quiroz DIRECTOR DE PROYECTO

AGRADECIMIENTOS A Dios y a mi Madre María por iluminar esta etapa de mi vida, y darme las fuerzas para seguir adelante. A mi Mami Mariana, por su apoyo, sacrificio y amor incondicional. A mis tíos: Arnulfo, Mercedes, Norma y Rubén por ser mi soporte en las dificultades. A mi prima Ana Victoria que logra hacer tangible el amor que me tiene Dios con su vida, inyectándome fuerzas para cumplir mis metas. A mi director Ingeniero Francisco Quiroz, por compartir sus conocimientos, ser un ejemplo de vida, un amigo y un maestro que ha sabido guiarme en la ejecución de este proyecto. Al Ingeniero Vladimir Valle, por su apoyo, conocimiento, por su amistad y don de gente que hace que un problema se transforme en solución. Al Doctor Iván Chango por todo el tiempo que ha dedicado para compartir sus conocimientos conmigo, gracias por ser un amigo de los que se llevan en el corazón. A la Tecnóloga Elizabeth Venegas, por su disponibilidad inmediata para solucionar mis dudas, por cada consejo, por ser una amiga y un apoyo en el tiempo de desarrollo de mi proyecto. A todo el CIAP, particularmente al Ingeniero Miguel Aldas y al Ingeniero Omar Bonilla, por prestarme las facilidades para realizar mi tesis, por ser más que un equipo de trabajo, una familia en donde los tesistas se forman profesionalmente y también como personas, me llevo en el corazón a cada uno de ustedes y cada vivencia. A mis amigos en especial a Raúl y Andreina por todos los momentos que hemos compartido desde los primeros semestres, ustedes son los hermanos que he escogido para mi vida. A Diego por su amor y paciencia en este tiempo. A mi Comunidad por sus oraciones y consejos.

DEDICATORIA

A mi madre Mariana, mujer valiente y luchadora que ha sabido guiarme, sacarme adelante en las dificultades, educarme y transmitirme la Fe.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA RESUMEN

xiv

INTRODUCCIÓN

xvi

1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

1

1.1. Madera plástica

1

1.1.1. Definición

1

1.1.2. Estructura del wood plastic composite

3

1.1.2.1. Matriz polimérica

4

1.1.2.1.1. Polietileno de alta densidad

6

1.1.2.1.2. Obtención del polietileno de alta densidad

7

1.1.2.1.3. Propiedades del polietileno de alta densidad

11

1.1.2.1.4. Degradación del polietileno de alta densidad

12

1.1.2.2. Refuerzo 1.1.2.2.1. Componente lignocelulósico 1.1.2.3. Interfaz e interfase

13 15 19

1.1.2.3.1. Aditivos y agentes de acoplamiento

21

1.1.2.3.2. Poliolefinas maleizadas

23

1.2. Procesamiento de materiales reciclados para la obtención de madera plástica 24 1.2.1. Secado del aserrín

24

1.2.2. Mezclado

27

1.2.3. Extrusión del material compuesto

29

1.2.3.1. Extrusora de mono husillo

31

1.2.3.2. Extrusora de doble husillo contra-rotante

32

1.2.3.3. Extrusora de doble husillo co-rotante

34

1.2.4. Métodos de análisis en el procesamiento del wood plastic composite 1.2.4.1. Índice de fluidez

35 37

1.2.4.2. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourie FTIR 37

ii

1.2.4.3. Calorimetría diferencial de barrido DSC

38

1.2.4.3.1. Transición vítrea

39

1.2.4.3.2. Cristalización

40

1.2.4.3.3. Fusión

40

1.2.4.4. Termogravimetría

40

2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Caracterización de las materias primas. 2.1.1. Polietileno de alta densidad

41 41 41

2.1.1.1. Acondicionamiento del polietileno

42

2.1.1.2. Caracterización del polietileno reciclado

43

2.1.2. Partículas lignocelulósicas

45

2.1.2.1 Acondicionamiento del aserrín

45

2.1.2.2. Caracterización del aserrín

47

2.1.3. Agente de acoplamiento

49

2.2. Evaluación de la capacidad de recepción que presenta el polietileno reciclado al adicionar partículas lignocelulósicas.

49

2.2.1. Procesamiento de las formulaciones

50

2.2.1.1. Secado del aserrín

50

2.2.1.2. Mezclado

51

2.2.1.3. Molienda y secado del material obtenido

51

2.2.1.4. Obtención de placas

52

2.2.2. Evaluación de las formulaciones

53

2.2.2.1. Determinación de la dispersión

53

2.2.2.2. Ensayos mecánicos

53

2.3. Evaluación de la influencia del agente de acoplamiento. 2.3.1. Activación del aserrín 2.4. Diseño de una planta a escala piloto de granza de madera plástica. 2.4.1. Ingeniería conceptual 2.4.1.1. Capacidad y localización 2.4.2. Ingeniería básica

54 55 56 56 56 57

2.4.2.1. Balances de masa y energía

57

2.4.2.2. Selección y dimensionamiento de equipos

57

2.4.2.2.1. Curvas de calibración:

58

iii

2.4.2.2.2. Perfil de temperaturas

58

2.4.2.2.3. Mezclado del material en la extrusora

59

2.4.2.2.4. Calibración del peletizador

60

2.5. Determinación de la inversión económica requerida.

60

2.5.1. Costos de materia prima

60

2.5.2. Costos de equipos y servicios auxiliares

61

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Caracterización de las materias primas 3.1.1. Polietileno de alta densidad reciclado

62 62 62

3.1.1.1. Caracterización estructural

62

3.1.1.2. Determinación de la procesabilidad

71

3.1.2. Partículas lignocelulósicas

73

3.1.2.1. Humedad inicial

73

3.1.2.2. Curva de hidratación

74

3.1.2.3. Contenido de cenizas

75

3.1.2.4. Densidad aparente

75

3.1.2.5. Separación por tamaños

76

3.1.2.6. Termogravimetría

78

3.1.3. Agente de acoplamiento

79

3.1.3.1. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourier

79

3.1.3.2. Calorimetría diferencial de barrido DSC

80

3.1.3.3. Termogravimetría

81

3.2. Evaluación de la capacidad de recepción que presenta el polietileno reciclado al adicionar partículas lignocelulósicas.

82

3.2.1. Mezclado

82

3.2.2. Evaluación de las formulaciones

85

3.2.2.1. Determinación de la dispersión

85

3.2.2.2. Ensayos mecánicos

87

3.3. Evaluación de la influencia del agente de acoplamiento.

92

3.3.1. Mezclado

92

3.3.2. Evaluación de las formulaciones

93

3.3.2.1. Determinación de la dispersión

93

3.3.2.2 Ensayos mecánicos

95

iv

3.4. Activación del aserrín

98

3.5. Ensayos de dureza y densidad de los materiales finales obtenidos

99

3.5.1.Ensayos de dureza

99

3.5.2. Determinación de la densidad del material compuesto final

100

3.5.3. Determinación de la densidad aparente del material compuesto final

101

3.6. Diseño de una planta a escala piloto de granza de madera plástica. 3.6.1. Ingeniería conceptual

102 102

3.6.1.1. Definición del producto

102

3.6.1.2. Campo de aplicación

102

3.6.1.3. Capacidad y localización

103

3.6.2. Ingeniería básica

104

3.6.2.1. Selección del proceso de mezcla

104

3.6.2.2. Descripción del proceso

106

3.6.2.3. Flujos másicos de las materias primas

107

3.6.2.4. Consumo energético de la planta

108

3.6.2.5. Diagramas PFD y BFD

109

3.6.2.6. Dimensionamiento y selección de equipos

114

3.6.2.6.1. Extrusor

114

3.6.2.6.2. Evaluación de los parámetros de procesamiento

116

3.7. Determinación la inversión económica requerida.

122

3.7.1. Costos de materia prima

122

3.7.2. Costos de equipos y servicios auxiliares

123

3.7.3. Gastos servicios básicos

124

3.7.4. Gastos operativos

124

3.7.5. Costo de producción

125

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

126

4.1. Conclusiones

126

4.2. Recomendaciones

129

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

130

ANEXOS

135

v

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1

Propiedades que la celulosa a altas concentraciones le confiere a una fibra natural (Guerrero, 2011, p. 82)

Tabla 1.2

16

Ventajas y desventajas de utilizar fibras naturales como refuerzo en materiales compuestos (Baille, 2004, p. 76)

Tabla 1.3

18

Propiedades de las fibras vegetales y fibras artificiales (Guerrero, 2011, p. 85)

Tabla 3.1

19

Densidad del polietileno de alta densidad reciclado según la norma ASTM D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión

Tabla 3.2

62

Valores del índice de fluidez del polietileno de alta densidad reciclado sin pasar por el reómetro y después de haber pasado por el reómetro por tres ocasiones.

Tabla 3.3

71

Densidad aparente del polietileno de alta densidad reciclado según la norma ASTM D1895-96

73

Tabla 3.4

Densidad aparente del aserrín

76

Tabla 3.5

Peso del aserrín retenido en cada uno de los tamices para determinar los tamaños de partícula

Tabla 3.6

Valores del ensayo de tracción realizado a la mezcla al 15 % de aserrín activado con 1 % de agente de acoplamiento.

Tabla 3.7

Valores de dureza del polietileno reciclado y de las mezclas finales.

Tabla 3.8

Densidad del material compuesto según la norma ASTM D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión

Tabla 3.9

77

99 100

101

Densidad aparente del material compuesto según la norma ASTM D1895-96

101

Tabla 3.10

Porcentaje de los componentes del WPC producido

102

Tabla 3.11

Composición de la madera plástica producida.

103

Tabla 3.12

Flujos másicos del polietileno de alta densidad, aserrín, agente de acoplamiento

107

Tabla 3.13

Flujo másico del agua que sale del secador

108

Tabla 3.14

Consumo energético de los equipos utilizados en la planta

108

vi

Tabla 3.15

Nomenclatura de los equipos utilizados en la planta piloto de producción de madera plástica

Tabla 3.16

Tabla 3.17 Tabla 3.18

114

Parámetros del extrusor para el procesamiento del WPC a partir de polietileno reciclado

115

Precios referenciales de las materias primas utilizadas.

122

Precios de los equipos requeridos para la planta de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

123

Tabla 3.19

Costos de consumo de luz y agua para la planta

124

Tabla 3.20

Salario de los trabajadores de la planta

124

Tabla A I.1.

Valores para el cálculo de la densidad del polietileno de alta densidad reciclado

136

Tabla A I.2.

Valores para el cálculo de la densidad del WPC

136

Tabla AII.1.

Valores para el cálculo de la densidad aparente del aserrín

137

Tabla AII.2.

Valores para el cálculo de la densidad aparente del polietileno

137

Tabla AII.3.

Valores para el cálculo de la densidad aparente de la mezcla final

138

Tabla AIII.1.

Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de polietileno reciclado junto con aserrín.

Tabla A III.2.

140

Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de polietileno reciclado, aserrín y agente de acoplamiento

140

Tabla A IV.1.

Balance de masa de la planta de producción de madera plástica

142

Tabla A IV.2.

Balance de masa del agua que sale del secador

142

Tabla A IV.3.

Valores de prueba y error para la determinación del diámetro y del intereje del extrusor para una producción de 20,83 kg/h

Tabla A IV.4.

144

Valores de longitud mínimo, medio y máximo por zonas del husillo para la determinación de su longitud máxima con un diámetro de 35 mm

Tabla A IV.5.

145

Valores mínimos y máximos de alturas de filetes en la zona de alimentación y dosificación

146

vii

Tabla A VI.1.

Calibración de la tolva secundaria con aserrín de 140 µm

151

Tabla A VI.2.

Calibración de la tolva secundaria con agente de acoplamiento

152

Tabla AVI.3.

Calibración de la tolva principal con PEHDR

153

Tabla A VI.4.

Calibración de la tolva principal con la mezcla de PEHDR y

154

agente de acoplamiento Tabla A VI.5.

Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla

155

polietileno-agente de acoplamiento Tabla A VI.6.

Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla

156

final obtenida Tabla AVII.1.

Valores de ensayo de tracción de las diferentes concentraciones

157

sin el uso de agente de acoplamiento Tabla A VII.2.

Valores de ensayo de flexión de las diferentes concentraciones

158

sin el uso de agente de acoplamiento Tabla A VII.3.

Valores del ensayo de tracción del material compuesto al 15 %

159

de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento. Tabla A VII.4.

Valores del ensayo de flexión del material compuesto al 15 % de

160

aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento Tabla A X.1.

Materias primas que se utilizarán en un día

179

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1

“Plastic lumber” y “wood plastic composite”

2

Figura 1.2

Diagrama tensión - alargamiento material compuesto

4

Figura 1.3

Estructura química del etileno monómero y del polietileno macromolécula 6

Figura 1.4

Representación esquemática del polietileno de alta densidad

7

Figura 1.5

Polimerización del etileno mediante catalizador Ziegler – Natta

9

Figura 1.6

Polimerización del etileno mediante catálisis Phillips

10

Figura 1.7

Tipos de materiales de refuerzos

13

Figura 1.8

Estructura de la molécula de celulosa

15

Figura 1.9

Esquema de los componentes de la pared celular de las fibras vegetales

17

Figura 1.10

Descripción esquemática de la interfaz y la interfase en una sección transversal de WPC

Figura 1.11

20

Esquema de la interacción de los grupos hidroxilo del componente lignocelulósico con el agente de acoplamiento

24

Figura 1.12

Esquema de un secador rotatorio

26

Figura 1.13

Mezclado distributivo del componente minoritario en la matriz

27

Figura 1.14

Mezclado dispersivo del componente minoritario en la matriz

28

Figura 1.15

Esquema de un mezclador Bambury

28

Figura 1.16

Diagrama de los sistemas de extrusión aplicados a la mezcla de materiales compuestos

31

Figura 1.17

Esquema básico de una extrusora mono-husillo

32

Figura 1.18

Esquema básico de una extrusora de doble-husillo contra-rotante

33

Figura 1.19

Esquema básico de una extrusora de doble-husillo co-rotante

34

Figura 1.20

Maquina de ensayos universales flexión – tracción

35

Figura 1.21

Esquema de un termograma típico de un polímero semicristalino

39

Figura 2.1

Jabas en mal estado antes de ser cortadas y cortadas.

41

Figura 2.2

Preparación del polietileno proveniente de las jabas de cerveza para su reciclaje.

42

Figura 2.3

Tonalidades del polietileno reciclado.

44

Figura 2.4

Proceso de cuarteo del aserrín

46

Figura 2.5

Preparación del aserrín para el procesado.

47

ix

Figura 2.6

Pasos del procesamiento del material compuesto

50

Figura 2.7

Molde tipo flash utilizado en el moldeo por compresión

52

Figura 2.8

Activación del aserrín por el método alcalino, utilizando una solución de Na(OH) al 3 % W/V

Figura 3.1

Clasificación por colores del polietileno existentes en el material reciclado

Figura 3.2

66

Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los grupos carbonilos entre 1 880 y 1 580 cm-1

Figura 3.6

65

Espectro ampliado del polietileno reciclado sobrepuesto al polipropileno isotáctico

Figura 3.5

64

Espectro de los diferentes colores presentes en el polietileno reciclado sobrepuesto un espectro estándar de polipropileno.

Figura 3.4

63

Espectros del polietileno reciclado de las tres muestras sobrepuesto un espectro estándar de polietileno de alta densidad

Figura 3.3

56

66

Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los grupos vinílicos entre 1 020 y 8 86,2 cm-1

67

Figura 3.7

Termograma del polietileno reciclado de color amarillo

69

Figura 3.8

Termograma del polietileno reciclado de color tomate

69

Figura 3.9

Termograma del polietileno reciclado color rojo

69

Figura 3.10

Termogravimetria del polietileno de alta densidad reciclado.

70

Figura 3.11

Índice de fluidez del polietileno reciclado pasado por el reómetro en tres ocasiones

72

Figura 3.12

Curvas de hidratación del aserrín seco durante 72 h

74

Figura 3.13

Determinación del D80 del aserrín distribución granulometría

77

Figura 3.14

Termogravimetría del aserrín reciclado

78

Figura 3.15

Espectro infrarrojo del agente de acoplamiento licocene PE MA 4351

79

Figura 3.16

Termograma del agente de acoplamiento PE MA 4351

81

Figura 3.17

Termogravimetría del agente de acoplamiento utilizado

82

Figura 3.18

Reograma del polietileno reciclado pasado por el reómetro

83

Figura 3.19

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %

84

Figura 3.20

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %

84

Figura 3.21

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %

85

x

Figura 3.22

Placas de las muestras a diferentes concentraciones de aserrín sin adicionar agente de acoplamiento

Figura 3.23

86

Probetas de las muestras a contra luz en el negatoscopio al 5 %, 15 % y 45 % de aserrín

87

Figura 3.24

Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración del aserrín 88

Figura 3.25

Deformación al pico y deformación a la ruptura versus concentración del aserrín

89

Figura 3.26

Módulo de Young versus las diferentes concentración de aserrín

90

Figura 3.27

Límite elástico versus concentración de aserrín

91

Figura 3.28

Módulo de flexión versus las diferentes concentración de aserrín

92

Figura 3.29

Reograma de la mezcla polietileno - aserrín al 15 % con agente de acoplamiento al 1%

Figura 3.30

93

Placas de las muestras de polietileno - aserrín al 15 % con agente de acoplamiento en concentraciones del 0,5 – 5 %.

Figura 3.31

94

Probeta al 15 % de aserrín con 1% de agente de acoplamiento a contraluz en el negatoscopio.

Figura 3.32

94

Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración de agente de acoplamiento

Figura 3.33

95

Deformación al pico y a la ruptura versus concentración de agente de acoplamiento

96

Figura 3.34

Modulo de Young versus concentración de agente de acoplamiento

96

Figura 3.35

Límite elástico versus concentración del agente de acoplamiento

97

Figura 3.36

Modulo de Young de la mezcla a una concentración del 15 % de aserrín variando el contenido de agente de acoplamiento

Figura 3.37

Ubicación de la planta piloto de granza de madera plástica

Figura 3.38

Diagrama del proceso de mezcla de las materias primas de la madera plástica

Figura 3.39

105

110

Diagrama de Flujo del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

Figura 3.41

104

Diagrama de bloques del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

Figura 3.40

98

111

Plano de distribución Lay Out de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

112

xi

Figura 3.42

Corte frontal y transversal de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

Figura 3.43

Esquema del husillo con el que se determinó los parámetros de selección

Figura 3.44

116

Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para el polietileno de alta densidad reciclado

Figura 3.45

118

Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para la mezcla polietileno reciclado con agente de acoplamiento.

Figura 3.47

117

Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el agente de acoplamiento

Figura 3.46

113

118

Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el aserrín

119

Figura 3.48

Perfil de temperaturas por zonas del husillo

120

Figura 3.49

Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla polietileno agente de acoplamiento obtenida

Figura 3.50

Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla final obtenida

Figura A V.1.

Reograma del Polietileno solo

Figura A V.2.

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %

Figura A V.3.

148

148

149

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %

Figura A V.5.

122

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %

Figura A V.4.

121

149

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 % con 1 % de agente de acoplamiento

 

150

xii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA ANEXO I Cálculo de la densidad del polietileno reciclado y de la madera plástica

135

ANEXO II Cálculo de la densidad aparente de las materias

primas y de la mezcla

137

seleccionada

ANEXO III Determinación de las masas de cada una de las mezclas que se

139

cargaron en el reómetro

ANEXO IV Cálculos para el diseño de la planta piloto de madera plástica

141

ANEXO V Reogramas de algunas de las mezclas realizadas en el reómetro

148

ANEXO VI Valores de la calibración de las tolvas y la extrusora

151

ANEXO VII Valores de los ensayos mecánicos de las diferentes mezclas

157

ANEXO VIII Proformas de materias primas utilizadas en la planta de madera plástica

161

xiii

ANEXO IX Proformas de los equipos

165

ANEXO X Cálculos análisis económico

179

xiv

RESUMEN

El presente estudio tuvo como propósito el diseño de una planta piloto para la obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicas, utilizando un agente de acoplamiento constituido por una cera de polietileno maleizado. Con este fin se realizó la caracterización de las materias primas, para determinar las condiciones de procesamiento a seguir, al mezclar los componentes que formaran parte del material compuesto. De esto se determinó que se debe realizar un proceso de secado al aserrín antes del mezclado, para fomentar la unión con la matriz de polietileno de alta densidad reciclado. Se determinó que la temperatura máxima de procesamiento debe estar en 180 °C para evitar la degradación del componente lignocelulósico. Se estudió la cantidad de material lignocelulósico que soporta la matriz antes que sus propiedades decaigan significativamente; para esto se realizaron mezclas de aserrín-polietileno con una concentración de aserrín en un rango entre el 5 % al 45 % en pasos del 5 %. La concentración que mejores características presentó fue la del 15 % de aserrín; se fijó esta concentración de material lignocelulósico y se procedió adicionar el agente de acoplamiento al 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; y 5,0 %, para analizar como varían las propiedades en la mezcla seleccionada; con esta información se seleccionó la concentración de agente de acoplamiento que mejores resultados presento esta fue al 1 % pues mejora significativamente las propiedades del material final. Los parámetros establecidos y la composición de la mezcla que se seleccionó se tomaron de base para el diseño del proceso a nivel piloto y la calibración del equipo de extrusión en el que se realizó las pruebas preliminares.

xv

Mediante los balances de masa se determinó una producción de 20,83 kg/h de madera plástica en forma continua. Se estableció que la adición de los componentes debe darse en dos pasos: el primero es la mezcla en el extrusor del polietileno con el agente de acoplamiento para obtener granza de esta mezcla, posterior a esto, se mezcló el aserrín con la granza de la mezcla de polietilenoagente de acoplamiento, obteniendo la granza de madera plástica. Finalmente, se realizó un análisis de costo de implementación de la planta el cual fue de $ 150 452 y el costo de producción de un saco de 25 kg fue de $ 39,50.

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INTRODUCCIÓN

La producción de materiales compuestos con fibras vegetales ha crecido paulatinamente en los últimos años, según el décimo Congreso “Wood Plastic Composites” realizado en Viena en Noviembre del 2014 por Battenfeld-Cincinnati se conoce que el crecimiento en el mercado mundial es del 5 %, en Estados Unidos se presenta una producción anual de 1,1 millones de toneladas, siendo el país con mayor capacidad de producción de madera plástica en el mundo, se espera que para el 2015 China llegue a 1,8 millones de toneladas superando a los Estados Unidos (Ortega, 2014), en América latina la producción de madera plástica es menor, a la cabeza se encuentra Brasil, produciendo madera plástica con cascarilla de arroz, en nuestro País no existe producción de madera plástica, para abastecer la demanda creciente que el país presenta al empezar a conocer las bondades del material. La madera plástica es un producto relativamente nuevo en el mercado, mientras se va conociendo sus beneficios va ganado terreno y compite con el precio de la madera natural, presentando las siguientes ventajas: resistencia a los agentes degradativos, facilidad de moldeado, no requiere mantenimiento (Coronado, 2011, p. 25) En el Ecuador las importaciones de polietileno de alta densidad indican un alto consumo de este tipo de material, generándose desperdicios al mismo nivel. En el Distrito Metropolitano de Quito EMASEO se recoge 1 015, 72 t/día de las cuales 15,50 % de los residuos son plásticos que se reciclan en un 12 %, de esto el 2,42 % es plástico de alta densidad (EMGIRS-EP, Informe técnico sobre la operación del relleno sanitario de Quito, 2014). Esto indica una necesidad de buscar un destino a estos residuos, para evitar su acumulación en los botaderos. En la actualidad el área del reciclaje de plásticos está en auge, lo que incentiva la producción de este tipo de material compuesto.

xvii

La industria maderera en el Ecuador genera grandes cantidades de aserrín que no son utilizados para un fin específico, muy pocas veces se vende para tableros de aglomerado, esto indica que el aserrín es enviado a los rellenos sanitarios o se lo quema generando contaminación ambiental. La implementación de una planta de Madera plástica favorece a la disminución de estos desechos en los botaderos, proveyendo al mercado local de un producto novedoso que en la actualidad solo se lo obtiene por importación y preservando el medio ambiente. Es importante aclarar que el procesamiento de compuestos plástico-madera presenta

limitantes

en

comparación

al

procesamiento

convencional

de

termoplásticos, en primer lugar la incorporación del aserrín en la matriz y la dosificación del agente de acoplamiento, en segundo lugar se debe considerar la temperatura de procesamiento para no degradar las fibras vegetales, también es importante tomar en cuenta el contenido de humedad de las fibras para asegurar una unión más eficiente, estos son puntos críticos para la calidad del producto final, el estudio de las mejores condiciones de procesamiento y dosificación de las materias primas es primordial para la obtención de madera plástica. Ante la necesidad constante de que en el país exista una mayor implementación de procesos industriales, se enfatiza la importancia de este proyecto, cuya base radica en la producción de granza de madera plástica, generando una solución factible para el reciclaje y tratamiento de residuos plásticos.

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1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 MADERA PLÁSTICA 1.1.1. DEFINICIÓN

La madera plástica es un material compuesto, cuyos constituyentes son: plástico reciclado o virgen, acompañado de residuos de madera. El objetivo de la madera plástica es fusionar las ventajas de la madera y el plástico, aprovechando la apariencia estética que presenta la madera, junto con las propiedades impermeabilizantes que aporta el plástico en la mezcla. De manera general se tiende a denominar madera plástica a cualquier tipo de mezcla, que dé como resultado un producto polimérico con características similares a las de la madera, para poder diferenciar la madera plástica que contiene residuos de madera de la que está formada por otros constituyentes se ha usado el idioma ingles para diferenciarlos: “Plastic lumber”, la cual está constituida únicamente por plástico, sea este reciclado o virgen, pudiendo ser de un solo material polimérico, o la mezcla de algunos materiales. De preferencia se utilizan materiales termoplásticos, se suele adicionar estabilizantes UV, lubricantes, agentes espumantes que facilitan la mezcla, mejoran las propiedades, permiten proteger al polímero y facilitan el moldeado, obteniendo piezas que llegan a parecer madera natural. (Olivares, Galán, & Roa, 2003, p. 46) “Wood plastic composite” (WPC), La palabra “composite” ha sido utilizada para definir únicamente a los materiales compuestos que tienen matriz polimérica diferenciándolos de aquellos que poseen otros tipos de matrices. Un “composite de madera plástica” (WPC), generalmente, es el resultado de la unión de plástico reciclado con desechos de madera; dosificado de tal forma que se logre

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incrementar las propiedades mecánicas del nuevo material. En la actualidad hay composites de madera plástica realizados únicamente con materias primas vírgenes. Para mejorar las propiedades de los materiales iniciales, se suele adicionar agentes de acoplamiento, retardantes de llama, funguicidas, espumantes, antioxidantes, estabilizantes UV, lubricantes, entre otros. (Klyosov, 2007, p. 11) En la Figura 1.1 se puede apreciar visualmente la diferencia entre el “plastic lumber” y el “wood plastic composite”.

Figura 1.1 “Plastic lumber” y “wood plastic composite” (Olivares, Galán, & Roa, 2003) El WPC presenta ventajas, tanto en el procesamiento como en su uso final, en el procesamiento, se tiene un material versátil que puede ser fácilmente moldeado, ya sea por compresión, inyección o por extrusión. Con respecto a su uso se debe tomar en cuenta la buena durabilidad, bajo costo de mantenimiento, pues presenta baja absorción de humedad, lo cual previene la degradación microbiana y el ingreso de termitas. Una desventaja es su alta flamabilidad que puede ser contrarrestada al adicionar a la mezcla retardantes de llama (Kim & Pal, 2010, p. 2). Las materias primas que se usan generalmente para la fabricación del WPC son: Como matriz: polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo o una mezcla de polímeros reciclados.

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Como componente lignocelulósico: fibras naturales de variados tamaños y procedencias, entre ellas las que más se destacan son la cascarilla de arroz, residuos de la industria del papel y madera molida en finas partículas que se denomina harina de madera.

1.1.2. ESTRUCTURA DEL WOOD PLASTIC COMPOSITE El WPC (wood plastic composite) se encuentra en el grupo de los materiales compuestos pues forma un sistema nuevo a partir de la combinación de dos o más componentes, para dar como resultado un material, con mejores propiedades que sus constituyentes por separado (Besednjak, 2009, p. 18). Esta definición describe a los materiales compuestos en general, sean aleaciones metálicas, cerámicas o poliméricas. Los compuestos reforzados con fibras se distinguen de los otros materiales compuestos debido a la diferencia a nivel molecular de sus constituyentes y la capacidad de ser separados por métodos mecánicos. Los materiales constituyentes del WPC trabajan juntos, mejorando las propiedades del nuevo material, pero cada uno permanece en su forma original sin alterar su estructura molecular (Kim & Pal, 2010, p. 1). La estructura y propiedades de la fibra de madera-intefase-matriz polimérica condicionan las propiedades físicas y mecánicas del material compuesto; cada una de estas cumple funciones específicas dentro del material: •

Matriz: es la fase continua, el elemento ligante, cuya función es repartir la tensión.

•

Refuerzo: es la fase discontinua, el elemento resistente, que soporta la tensión mecánica del material. (Callister, 2007, p. 587)

•

Interfase: esta permite la adhesión de la fibra con la matriz.

En la Figura 1.2 se observa las propiedades mecánicas de la matriz y el refuerzo y cómo se comporta el material compuesto al unir estos dos.

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Figura 1.2 Diagrama tensión - alargamiento material compuesto (Besednjak, 2009, p. 17) A continuación se detallan cada uno de estos elementos:

1.1.2.1. Matriz polimérica La matriz polimérica cumple funciones importantes en el material compuesto. La principal de ellas es la trasmisión de los esfuerzos a las fibras, por medio de la interface, que es la frontera entre la fibra y la matriz, otras funciones que cumple la matriz son las siguientes: •

Protege a las fibras de esfuerzos de compresión, humedad, ataques químicos entre otros.

•

Por medio de fuerzas adhesivas une las fibras del refuerzo y las asegura de acuerdo al orden determinado. (Besednjak, 2009, p. 24)

Los materiales poliméricos poseen buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y una gran facilidad de procesado; una matriz polimérica puede ser termoplástica o termoestable:

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Matriz polimérica termoestable: es rígida y no fluye por efecto de la temperatura, pero a elevadas temperaturas tiende a sufrir una degradación química estructural, no es cristalina, la última fase de polimerización (curado) se debe realizar en el equipo de moldeo pues no pueden ser remoldeados. Entre estas tenemos: resinas epóxicas, resinas poliésteres, resinas fenólicas entre otras. Matriz polimérica termoplástica: se caracteriza por poseer una alta relación entre resistencia/densidad, funden al calentarse y se solidifican al enfriarse, poseen alta cristalinidad por el empaquetamiento molecular y son fácilmente moldeables. (Besednjak, 2009, p. 20) En una molécula lineal, los segmentos del polímero se juntan más que en una estructura ramificada, generando fuerzas intermoleculares mayores que se traducen en un material más denso, creando un incremento de la elongación después de la rotura; por lo tanto, las moléculas de los termoplásticos son menos rígidas que la de los termoestables. (Morales Méndez, 2010, p. 80) Con respecto a la facilidad de reprocesado, gracias a la capacidad de fundir que presentan los termoplásticos y sus propiedades mecánicas, facilitan el proceso de reciclaje mecánico, mientras que para los termoestables el reciclaje generalmente es químico el cual necesita alta energía generando un costo elevado (Manuel, 2011, p. 93). Los termoplásticos presentan buena resistencia al impacto, compresión y flexión, posee buena resistencia química y baja absorción de humedad; con respecto al procesamiento presenta ciclos de moldeo cortos, sin reacciones durante su endurecimiento, reprocesables y se los puede almacenar a temperatura ambiente. Los aspectos negativos de la utilización de termoplásticos son su tendencia a fluir a temperaturas elevadas y su alta viscosidad, que dificulta la interacción con el refuerzo. (Michaeli, Wegener, & Capella, 1993, p. 71)

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1.1.2.1.1. Polietileno de alta densidad El polietileno es una macromolécula generada por la unión de monómeros de etileno que posee átomos de carbono insaturados, es decir que están unidos por un doble enlace, pero al momento que el doble enlace se rompe se generan dos sitios químicos activos que permiten la reacción con otros monómeros de etileno (Osswald & Giménez, 2008, p. 14). En la Figura 1.3 se observa la estructura química de una molécula de etileno y la polimerización del mismo formando el polietileno.

Figura 1.3 Estructura química del etileno monómero y del polietileno macromolécula (Morales Méndez, 2010, p. 47) Existen muchos tipos de polietilenos pero su estructura básica se conforma por una larga cadena de carbonos, unidos covalentemente a átomos de hidrógeno, con terminaciones en la cadena de grupos metilos, las variaciones surgen por las ramificaciones en la cadena principal, en el estado sólido, estas definen el nivel de cristalinidad, si existen pocas ramificaciones posee un mayor grado de cristalinidad, las resinas de polietileno aumentan su densidad global a medida que aumenta el grado de cristalinidad (Peacook, 2000, p. 2). El polietileno de alta densidad (HDPE), está formado por moléculas no ramificadas y con pocos defectos, que no afectan su linealidad como se aprecia en la Figura 1.4, al poseer un bajo nivel de ramificaciones poseen un alto grado de cristalinidad, pero no es totalmente cristalino pues posee zonas amorfas la relación entre las zonas cristalinas y las amorfas nos da el grado de cristalinidad, a mayor grado de

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cristalinidad mayor será la densidad. Las resinas de polietileno de alta densidad posen densidades entre 0,94 - 0,97 g/cm3 (Peacook, 2000, p. 2).

Figura 1.4 Representación esquemática del polietileno de alta densidad (Peacook, 2000, p. 4)

1.1.2.1.2. Obtención del polietileno de alta densidad La polimerización del polietileno de alta densidad se da por lo general por adición. Existen tres métodos de obtención: •

Por suspensión en un sistema bifásico usando un catalizador de lecho fijo e hidrocarburos como disolventes junto con el etileno a una temperatura entre 100 -170 °C y una presión de 5 – 15 kg/cm2 (Malpass, 2010, p. 88).

•

En fase gaseosa alimentando el etileno de alta pureza y el catalizador en polvo en un reactor de manera continua, el polietileno es desalojado del reactor de forma intermitentemente, sin permitir la salida del gas de etileno que aún no ha reaccionado (Malpass, 2010, p. 88).

•

En disolución en la que el monómero y el iniciador se disuelven en un líquido disolvente no reactivo. Su principal ventaja es una reducción de la viscosidad del medio y una mejor eliminación del calor (Malpass, 2010, p. 89).

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Para favorecer la velocidad de reacción, existen tres métodos de catálisis: •

Catalisis Ziegler–Natta

•

Catálisis Metaloceno

•

Catalisis proceso Phillips

Catálisis Ziegler–Natta Existe una gran cantidad de catalizadores Ziegler –Natta estos consisten en complejos formados por una base metálica de alquilo o haluro con una sal de los metales de transición, cada combinación realiza un tipo específico de polimerización, para la polimerización del etileno a polietileno de alta densidad se utiliza generalmente el complejo trietil aluminio con tetracloruro de titanio, a presión atmosférica y temperatura de 50 – 100 °C, el centro activo es el átomo de titanio coordinado con cuatro átomos de cloro y un grupo alquilo, en una configuración octaédrica con un sitio vacío (Malpass, 2010, p. 89). La molécula entrante de etileno coordina con el titanio en el sitio disponible, así se genera un nuevo espacio en la posición apical y las moléculas repetitivas de etileno generan la cadena del polietileno como se puede ver en la figura 1.5, los catalizadores tienen una mezcla de sitios activos, los cuales debido a su ambiente químico ligeramente diferente polimerizan el material de maneras diferentes, los sitios que producen cadenas más largas son menos propensos a incorporar comonómeros de alquilo, mientras que las cadenas más cortas contienen más comonómero. Los comonómeros polares son los que desactivan los catalizadores Ziegler-Natta (Malpass, 2010, p. 90; Peacook, 2000, p. 55).

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Figura 1.5 Polimerización del etileno mediante catalizador Ziegler – Natta (Peacook, 2000, p. 55) Catálisis metaloceno

Se la conoce también como catálisis de sitio único ya que contiene un solo tipo de sitio activo por esto es una catálisis homogénea las condiciones de producción son similares a la Ziegler-Natta. Se la realiza con un compuesto órgano - metálico que permite una distribución uniforme de las cadenas poliméricas y un componente de Zirconoceno . (Malpass, 2010, págs. 72,73,74)

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Catálisis Phillips

Utiliza oxido metálico sea de cromo a titanio, soportado sobre sílice altamente poroso o aluminiosilicato y un hidrocarburo como disolvente, a condiciones medias de presión y temperatura. Para el uso de un catalizador Phillips se prepara el soporte de sílice o aluminiosilicato con la solución acuosa de cromo en un ambiente oxidativo para formar cromato de silicio en la superficie, a alta temperatura se produce en el etileno una reducción a un estado de valencia menor, en el sitio activo existe un enlace cromo carbono que forma un complejo con la molécula de etileno que luego se inserta entre el cromo y el carbono y empieza la formación de la cadena, este proceso se puede apreciar en la Figura 1.6 (Peacook, 2000, págs. 61,62).

Figura 1.6 Polimerización del etileno mediante catálisis Phillips (Peacook, 2000, p. 62)

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1.1.2.1.3. Propiedades del polietileno de alta densidad

Las propiedades físicas del polietileno solido están determinadas por su naturaleza semicristalina, en general el polietileno es un material muy flexible, químicamente inerte y con una resistencia eléctrica alta, los contras que posee son su cedencia a las cargas prolongadas y su temperatura de fusión baja. Las propiedades del polietileno provienen de la naturaleza covalente de sus enlaces carbono – carbono y carbono – hidrogeno dándole una naturaleza no polar, entre las propiedades más importantes tenemos:

•

La densidad es afectada por la variación del grado de cristalinidad, los factores que cambian esta propiedad son los que hacen que cambie también la densidad por lo tanto la densidad es función del peso molecular, contenido de ramificaciones y de las condiciones de preparación del polietileno.

•

Propiedades mecánicas hacen referencia al reordenamiento físico de sus moléculas o cambios en su morfología en respuesta a una fuerza aplicada, la resistencia a la tensión, rigidez y dureza dependerán del grado de cristalinidad que presente la muestra, en general el polietileno de alta densidad posee alta resistencia al impacto .

•

Propiedades térmicas el polietileno al ser un polímero semicristalino posee un intervalo de fusión esto se debe a la distribución de espesores lamelares en el estado sólido, el bajo punto de fusión que presenta es un limitante en su uso su punto de fusión esta entre 130 -136 °C. (Peacook, 2000)

•

Permeabilidad el polietileno puede ser considerado como un material esencialmente impermeable pero teniendo en cuenta que posee un grado de permeabilidad que se ve afectado por el tiempo de exposición, cantidad de material y las condiciones del entorno.

12

1.1.2.1.4. Degradación del polietileno de alta densidad La degradación polimérica es la perdida de las propiedades mecánicas del material debido a los cambios químicos y físicos que se dan en la estructura, originados por agentes externos que interactúan con las moléculas del polímero, todo esto genera una reducción del grado de polimerización (Pancorbo, 2011, p. 462). Los principales factores que inciden en la de degradación que sufre el polietileno de alta densidad son:

•

Degradación por radiación solar: la luz UV favorece la formación de radicales libres y reticulaciones entre cadenas contiguas dentro de la molécula del polímero generando envejecimiento y pérdida de flexibilidad (Bamford & Tipper, 1975, p. 349).

•

Degradación térmica con el aumento de la temperatura existe mayor movilidad de la moléculas lo que favorece a las reacciones de degradación, en el polietileno de alta densidad al ser un polímero semicristalino, posee zonas cristalinas con cadenas ordenadas en las que los movimientos son limitados y zonas amorfas en las que existe mayor libertad de movimiento, por esto las reacciones de degradación se producen preferentemente en las zonas amorfas generando la formación de radicales libres que permiten el rompimiento de las cadenas (Pielichowski & Njuguna, 2005, págs. 43, 44).

•

Degradación mecánica este tipo de degradación puede darse durante el procesado o en el servicio del material, se da por la ruptura de enlaces primarios debido a la fatiga que soporta el material dando origen al fallo.

•

Degradación oxidativa se origina por agentes externos como el oxígeno y el ozono de la atmosfera el polietileno al tener cadenas saturadas posee buena resistencia a la oxidación a temperatura ambiente.

•

Degradación por exposición a líquidos el contacto con líquidos genera hinchamientos en el material que provoca la ruptura de los puentes de hidrogeno y rompimiento de cadenas que hacen que el polietileno pierda su tenacidad, la temperatura ambiental y la naturaleza del líquido determinan el grado de la degradación

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1.1.2.2. Refuerzo El refuerzo es la fase discontinua, es tan importante como la matriz pues esta define la mayor parte de las propiedades mecánicas del material compuesto, como la resistencia y la rigidez. Para la selección del refuerzo se debe tomar en cuenta algunas propiedades mecánicas del material: como su ligereza, dureza, rigidez, temperatura de degradación y el grado de compatibilidad que presenta con la matriz; a partir de esto se selecciona el proceso de fabricación del material compuesto. Los materiales de refuerzo pueden ser de diferentes tipos como lo podemos apreciar en la Figura 1.7:

MATERIALES DE REFUERZO

PARTICULADO

FIBROSO

ESTRUCTURAL

Figura 1.7 Tipos de materiales de refuerzos (Callister, 2007, p. 579)

•

En los materiales reforzados con partículas las propiedades mecánicas dependen en gran parte de la unión entre la matriz y las partículas, esta unión debe ser química y mecánica dependiendo de la afinidad matriz – refuerzo y del tamaño de la partícula , se puede considerar el uso de partículas grandes y pequeñas, teniendo presente que el tamaño de la partícula restringirá el movimiento de la matriz a los alrededores del refuerzo: a medida que el tamaño de partícula disminuye y la dispersión en la matriz es más homogénea, el

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reforzamiento del material mejora. Se debe procurar que el tamaño de partícula sea uniforme: a mayor tamaño de partícula tenemos una unión mecánica y a medida que el tamaño de partícula va disminuyendo (menor a 0,1 mm) la unión ocurre a nivel atómico y molecular; otro factor determinante es la cantidad de cada una de las fases. Con este tipo de refuerzo la matriz soporta la carga aplicada y las partículas dificultan el desplazamiento de la misma, logrando un aumento en el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza (Callister, 2007, p. 580).

•

En los refuerzos fibrosos, se busca obtener un material con alta resistencia y rigidez pero con una baja densidad, para este tipo de refuerzos se debe tener en cuenta la longitud, diámetro y orientación de la fibra. Cada uno de estos parámetros determinará las propiedades del nuevo material: la longitud define la transmisión de la carga por medio de la matriz a la fibra, el diámetro debe ser pequeño para disminuir las posibles fallas del refuerzo, y la relación longitud/diámetro es la que determinará la resistencia que la fibra va a comunicar. La disposición de las fibras determinará la orientación de la resistencia a la tracción, dependiendo de la dirección en la que se les coloque; si las fibras están colocadas al azar mejora la resistencia a la tracción hacia todas las direcciones. ( Ashby, Messler, & Asthan, 2009, p. 351)

•

Un refuerzo estructural está formado por materiales compuestos homogéneos cuyos beneficios en el material final dependerán de su geometría y no solo de las características del refuerzo, existen refuerzos laminares en los cuales se coloca láminas paralelas apiladas y paneles sándwich que son capas externas que contienen a la matriz.

El refuerzo es el que otorgará al material compuesto las principales características mecánicas. Por si solo es un elemento resistente, pero necesita de una matriz para que exista una unión entre sus componentes, potenciando sus propiedades.

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1.1.2.2.1. Componente lignocelulósico La mayor parte de fibras naturales están formadas por celulosa, hemicelulosa, y lignina estas presentan grupos hidroxilos y grupos polares que hacen que las fibras sean hidrofílicas. El compuesto mayoritario de la madera es la celulosa, en la Figura 1.8 se puede apreciar su estructura, este es un polisacárido de cadena lineal insoluble en agua, rígido; con

puentes de hidrogeno que unen a

los grupos hidroxilo, que se

encuentran entre cadenas yuxtapuestas de glucosa formando microfibrillas que conforman la pared celular (Sjöström, 1993, p. 58), debido a esto las microfibrillas son altamente polares, dificultando la compatibilidad con materiales no polares, afectando la dispersión al momento de elaborar el material compuesto. En la madera la celulosa generalmente ocupa aproximadamente el 50 % de su peso seco, esto variara según el tipo de madera que se utilice. (Gracia, 2010, p. 223)

Figura 1.8 Estructura de la molécula de celulosa (Gracia, 2010, p. 223)

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En la Tabla 1.1 se muestra las ventajas y desventajas que presenta una fibra con alto contenido de celulosa.

Tabla 1.1 Propiedades que la celulosa a altas concentraciones le confiere a una fibra natural (Guerrero, 2011, p. 82) Fibras con alto contenido de celulosa Ventajas

Desventajas

Gran capacidad de absorber humedad

Baja resiliencia Susceptible a daños por ácidos vegetales y orgánicos

Capacidad de soportar altas temperaturas

Alta flamabilidad Baja densidad

Resistencia moderada a la luz solar

La hemicelulosa está formada por varios tipos de monómeros entre ellos la glucosa y otros azucares solubles en agua, con un grado de polimerización menor que el de la celulosa, formando cadenas ramificadas, la función que desempeña es la de unir a las microfibrillas rodeándolas y aglutinándolas, permitiendo la interacción entre la celulosa y la lignina para proporcionar rigidez a la pared celular. En la madera constituye entre un 15 % y un 25 % de su peso seco (Gracia, 2010, p. 224). Las hemicelulosas son carbohidratos que pueden dar origen a la formación de hongos en el material compuesto, por esto se debe lograr una cobertura completa de la partícula de madera evitando las condiciones de humedad. (Guerrero, 2011, p. 82) La lignina se forma por la deshidratación de los azucares que generan estructuras aromáticas, es una molécula grande y ramificada que no posee estructura de polisacárido, esta proporciona soporte estructural a la planta, haciéndola resistente al impacto, compresión y flexión esta se encuentra en la madera entre un 25 % y 33 % de su peso seco (Gracia, 2010, p. 225). En la figura 1.9 se muestra la disposición de los componentes de las fibras vegetales citadas anteriormente y como estos se encuentran entrelazados entre sí.

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Figura 1.9 Esquema de los componentes de la pared celular de las fibras vegetales (Gracia, 2010, p. 224) Las fibras celulósicas poseen también elementos minoritarios, como proteínas, ceras, resinas, y algunos productos inorgánicos como cenizas, su composición varía según la especie. Cada tipo de fibras presenta características propias de su naturaleza y procedencia, esto aporta las características que puede conferir a la matriz que va a reforzar específicamente resistencia a esfuerzos de tracción flexión, compresión, e impacto. Se debe tener en cuenta para la selección de una fibra como refuerzo la disponibilidad del material y las ventajas y desventajas que el uso de materiales lignocelulósicos presenta a continuación en la Tabla1.2 podemos ver las ventajas y desventajas del uso de este tipo de refuerzos:

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Tabla 1.2 Ventajas y desventajas de utilizar fibras naturales como refuerzo en materiales compuestos (Baille, 2004, p. 76) Ventajas

Desventajas

Sostenibilidad

Baja resistencia al agua

Genera un bajo consumo de CO2

Alta absorción de agua

Son biodegradables

Baja estabilidad dimensional

Requieren un bajo consumo de energía

Pobre interfaz

No quedan residuos tóxicos al quemarlas

Dureza

Su densidad es baja

Dificultad en su procesamiento

Poseen buenas propiedades mecánicas

Calidad heterogenia

No son toxicas ni abrasivas

Demanda y ciclos de suministros variables

Tienen bajo costo

Presentan alta flamabilidad

En la actualidad las fibras artificiales dominan el mercado de los materiales compuestos por sus propiedades y facilidad de fabricación pero el uso de fibras vegetales empieza a ganar terreno pues estas presentan algunas ventajas sobre las artificiales: •

Costos y disponibilidad: las fibras vegetales son más económicas y fáciles de obtener, específicamente las fibras de madera, por lo general son desechos con un bajo precio de adquisición y gran disponibilidad pues son residuos de otras industrias, para su procesamiento se requiere un menor consumo de energía.

•

Fácil procesamiento: las fibras naturales poseen menor densidad esto las hace más livianas que las de vidrio y generan un aumento en la eficiencia en materiales que requieren ser livianos y resistentes, la maquinaria sufre menos abrasión y no existe riesgos de inhalación en su procesamiento.

•

Eliminación: al ser materia orgánica son biodegradables y esto facilita su eliminación al contrario de las fibras artificiales. En la Tabla 1.3 podemos ver algunas de las propiedades de las fibras vegetales con respecto a las fibras de vidrio:

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Tabla 1.3 Propiedades de las fibras vegetales y fibras artificiales (Guerrero, 2011, p. 85) Resistencia a

Módulo de

Elongación

Absorción

la tracción

elasticidad

fractura

de humedad

[MPa]

[GPa]

[%]

[%]

2,5

2000-3500

70

2,5

------

2,5

4570

86

2,8

------

Carbono

1,4

4000

230-240

1,4-1,8

------

Cañamo

1,4

690

35

1,6

8

Yute

1,3

393-773

26,5

1,5-1,8

12

Coco

1,2

175-220

4-6

15-30

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Fibras

Vidrio – S Vidrio – E

Densidad [g/cm3]

Se puede apreciar que las fibras vegetales poseen propiedades menores a las artificiales, esto se equipara con la disminución de la densidad que presentan las fibras naturales ya que esto permite la elaboración de materiales más ligeros y con propiedades mecánicas aceptables.

1.1.2.3. Interfaz e interfase

La fabricación del WPC está determinada por sus constituyentes y la manera que interaccionan. Estos al ser químicamente diferentes, están separados por una interfaz que es una superficie bidimensional entre la matriz a la interfase y entre la fibra a la interfase, en la cual actúan las fuerzas adhesivas, generando una interacción débil. La interfase se define como una región tridimensional donde actúan fuerzas cohesivas entre la fibra y la masa del polímero matriz, generando interacciones moleculares, permitiendo que los esfuerzos que se aplican a la matriz se transmitan a las fibras. La interacción entre el polímero y la fibra es pobre, esto disminuye la adhesión entre los dos sistemas, afectando directamente las propiedades de resistencia y dureza; también influye en propiedades a largo plazo como fluencia y estabilidad a la

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humedad. Con respecto a la rigidez del material compuesto no influye significativamente (Klyosov, 2007, p. 162). En la Figura 1.10 se ve puede observar como las interfaz de la matriz y de la fibra generan fuerzas adhesivas con la interface, en la interface se generan fuerzas cohesivas que unen los dos componentes.

Figura 1.10 Descripción esquemática de la interfaz y la interfase en una sección transversal de WPC (Oksman & Sain, 2008, p. 43) Para mejorar la interacción entre el plástico y las fibras de madera, se debe tomar en cuenta las siguientes recomendaciones:

•

La distribución del material de carga debe ser uniforme en la matriz

•

Se debe cerrar la interfaz mediante el acoplamiento de la fibra de madera con el plástico esto se lo realiza con el uso de agentes compatibilizantes.

La unión en un material compuesto se da por medio de los siguientes enlaces: •

Enlace covalente se produce entre los grupos químicos en la superficie de la fibra y el grupo químico compatible en el polímero. Los enlaces químicos se forman entre la superficie de la fibra y algunas moléculas en la matriz. La fuerza de la interfaz depende del tipo de enlace y el número de enlaces.

•

Enlaces electrostáticos se dan por cargas diferentes sobre las dos superficies que generan fuerzas de atracción, la fuerza de la interfaz dependerá de la cantidad de enlaces estas fuerzas incluyen enlaces iónicos, enlaces de

21

hidrogeno, interacciones acido base, interacciones dipolo - dipolo y fuerzas de Van Der Waals (Oksman & Sain, 2008, p. 46). •

Enlace mecánico sucede por el enclavamiento de dos superficies, en el procesamiento existen tensiones que genera rozamiento entre las superficies de los materiales, y en el enfriamiento existe contracciones que aumentan la superficie de contacto mejorando la adhesión.

La adhesión puede mejorar con el uso de agentes de acoplamiento y la fibra puede ser modificada para que se genere sitios en los que se dé la interacción con el material polimérico.

1.1.2.3.1. Aditivos y agentes de acoplamiento Los aditivos son muy variados en la fabricación de materiales compuestos, las funciones que cumplen son: proteger al material, modificar la estructura para diversas aplicaciones y mejorar la compatibilidad de los materiales. Estos se adicionan en cantidades menores que el refuerzo y la matriz. Entre ellos tenemos: •

Los lubricantes, que pueden ser internos si modifican las fuerzas de cohesión intermolecular de la resina disminuyendo su viscosidad y externos cuando ayudan a que el material no se pegue al molde.

•

Agentes antiultravioleta, que protegen al material compuesto de la radiación ultravioleta.

•

Agentes antiretracción, que mejoran el aspecto de la superficie del material compuesto.

•

Antioxidantes, que se encargan de retardar la degradación por acción de la oxidación atmosférica.

•

Espumantes, que generan en el material compuesto una estructura tipo celular que le da propiedades de aislante, reduciendo su densidad.

•

Retardantes de llama. Los polímeros son inflamables, estos aditivos contienen cloro, bromo, fósforo, o sales metálicas que reducen la capacidad de combustión.

•

Agentes de acoplamiento, que mejoran unión de la matriz con el refuerzo. (Morales Méndez, 2010, págs. 134-140)

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La función principal del agente de acoplamiento es mejorar la compatibilidad entre el material lignocelulósico y la matriz polimérica, generando la formación de enlaces entre la fibra y el plástico, esto facilita la distribución de la fibra en la matriz. Al mejorar la unión se favorece a las propiedades mecánicas del nuevo material. El principal problema al realizar un material compuesto es la incompatibilidad de las materias primas, pues se maneja un polímero hidrofóbico y un componente lignocelulósico hidrofílico, por lo tanto la adherencia existente es débil y no se transfiere óptimamente la tensión entre las dos fases, por esto se debe tomar en cuenta la uniformidad de la distribución del material de relleno en la matriz y el acoplamiento en la interface del polímero con las fibras de madera (Klyosov, 2007, p. 162). Un agente de acoplamiento debe tener una parte que interactúa con la matriz polimérica generando entrecruzamientos o segmentos de cristalización y otra parte que interactúe con el material lignocelulósico generando enlaces covalentes, interacciones iónica, puentes de hidrogeno entre otros. Para el uso de un agente de acoplamiento se debe tener en cuenta las condiciones adecuadas de temperatura de procesamiento, contenido de humedad y ausencia de compuestos que pueden bloquear la acción del agente de acoplamiento como estearatos metálicos que se usan como lubricantes, tomando estas medidas se puede lograr un aumento significativo en la propiedades mecánicas del material compuesto, duplicando la resistencia a la tracción y a la flexión, disminuyendo la absorción de agua pues las partículas lignocelulósicas se recubren totalmente de la matriz. Adicional a esto se presenta un aumento en la densidad y por ende en la resistencia, disminuyendo la oxidación y protegiendo al material de la degradación microbiana (Oksman & Sain, 2008, p. 29). Los efectos del agente de acoplamiento son función de los materiales que se estén usando para el material compuesto, pues de estos dependerá la formación de los enlaces covalentes, por lo tanto es necesario realizar pruebas de procesamiento para su dosificación en cada tipo de material.

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Existen varios tipos de agentes de acoplamiento entre ellos tenemos: •

Poliolefinas maleizadas como el anhídrido maléico con polietileno o polipropileno que se une con la fibra de celulosa.

•

Oligómeros bifuncionales o polímeros, que pueden interactuar con cargas inorgánicas mediante un enlace iónico.

•

Silanos, injertados en polímeros, que luego interactúan de forma covalente con los grupos hidroxilo de fibra de celulosa.

•

Acrílico modificado de politetrafluoroetileno

•

Cloroparafinas

1.1.2.3.2. Poliolefinas maleizadas

Estos son los agentes de acoplamiento más utilizados industrialmente, la dosificación recomendada bibliográficamente es entre el 1 % al 5 % en peso de la formulación del material compuesto (Klyosov, 2007, p. 165) esto variara según las materias primas utilizadas. Las poliolefinas maleizadas se forman al injerta anhídrido maleico en la cadena principal del polímero por medio de reacciones de radicales libres, generando una unión covalente del anhídrido a la cadena. Esto genera la formación de una molécula que posee por un lado una poliolefina, que es capaz de formar entrecruzamientos con la matriz polimérica y en el otro lado se encuentra el anhídrido maleico, que interactúa covalentemente con las fibras de celulosa a la temperatura de extrusión, generando enlaces covalentes, enlaces iónicos y puentes de hidrogeno, estas interacciones se producen con los grupos hidroxilo de la celulosa y dan como resultado la formación de un éster celulósico y un ácido libre unido a la cadena polimérica (Klyosov, 2007, p. 164, 165,166). En la Figura 1.11 se aprecia la interacción del agente de acoplamiento con los grupos hidroxilos del componente lignocelulósico.

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Figura 1.11 Esquema de la interacción de los grupos hidroxilo del componente lignocelulósico con el agente de acoplamiento Se debe tener en cuenta que las poliolefinas maleizadas reaccionan lentamente con la humedad del aire formando ácidos libres que disminuyen la reactividad química del agente de acoplamiento por lo tanto es recomendable calentarlos antes de su uso para regenerar la estructura química del anhídrido (Oksman & Sain, 2008, p. 30).

1.2. PROCESAMIENTO DE MATERIALES RECICLADOS PARA LA OBTENCIÓN DE MADERA PLÁSTICA 1.2.1. SECADO DEL ASERRÍN

Para el procesamiento del aserrín como componente del material compuesto se debe tener en cuenta el contenido de humedad que posee, pues de este dependerá la calidad de la unión con la matriz. Si el aserrín tiene alto grado de humedad, al momento de la unión con la matriz, por las condiciones de procesamiento, se liberará vapor de agua que dificultará la unión de los dos materiales (Córdoba, 2005, p. 23). El aserrín al provenir de aserraderos y ser considerado un desecho almacenado sin un control, contiene alto grado de humedad por lo cual se requiere un secado previo

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para su procesamiento, el secado del aserrín se lo debe hacer bajo condiciones controladas de temperatura para evitar su degradación. El agua contenida en el aserrín, se expresa como el contenido de humedad y se define como la relación porcentual del peso de agua contenido sobre el peso seco. El método más usado para la determinación del grado de humedad es el método gravimétrico (Córdoba, 2005, p. 25). El objetivo esencial de un proceso de secado es la eliminación de un líquido que se separa del solido al convertirse en vapor por el calor entregado al sistema, la transferencia de calor se produce por conducción o convección en pocos casos se la hace por medio de radiación (Hopp, 1994, p. 404). La forma de transferencia de calor determina la forma de secado del material y el diseño del equipo, cuando el secado se da por conducción el sólido se coloca en un contenedor que será calentado el cual debe estar provisto de salidas para eliminar el vapor, cuando la transferencia de calor se da por convección, se hace circular un gas caliente sobre la superficie del sólido, el gas entrega el calor y arrastra el vapor formado. Existen dos periodos de secado el primero es un periodo de velocidad constante en el cual el secado es dependiente de la transferencia de calor al material y el segundo es el periodo de velocidad decreciente en el cual el secado depende totalmente del coeficiente de transferencia de calor del material (Nonhebel & Moss, 1979, p. 2). En el proceso de secado la transferencia de calor y la transferencia de masa rigen el fenómeno, la transferencia de masa se da en tres partes del proceso (Hopp, 1994, p. 405; Nonhebel & Moss, 1979, p. 5):

•

Al difundirse el agua en la superficie del sólido.

•

Cuando se evapora el agua superficial a la masa de aire.

•

Cuando se propaga el vapor del agua en el aire

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Para el secado de partículas finas en un proceso continuo los secadores más utilizados son los secadores convectivos continuos, entre ellos tenemos Secadores tipo flash, Spray Dryers, secador de atomización de disco pulverizado, Secadores de lecho fluido, Secadores rotativos y secadores de cinta transportadora (Van't Land, 2012, p. 331) 1.2.1.1.

El secador rotatorio

El secador rotatorio es utilizado para un secado continuo de productos granulares que puedan fluir, es un cuerpo cilíndrico ligeramente inclinado que desplaza el material por su propio peso, el tambor gira continuamente y el material va moviéndose hacia la salida del tubo (Van't Land, 2012, p. 333). Existen tres tipos de secadores rotatorios: •

Secador rotatorio de cascada

•

Secador directo con persianas periféricas

•

Secador por calentamiento indirecto (Nonhebel & Moss, 2002, p. 209)

En la Figura 1.12 se aprecia el esquema de un secador rotatorio típico utilizado en la industria química.

Figura 1.12 Esquema de un secador rotatorio (Hopp, 1994, p. 407)

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1.2.2. MEZCLADO

El mezclado de los componentes para formar el material compuesto es determinante en la calidad del producto final, este se puede realizar en mezcladores internos o durante el procesado en extrusoras de mono husillo o de doble husillo. El mezclado de polímeros implica la dispersión de un componente minoritario (fase dispersa) dentro de un componente mayoritario (fase continua), el mezclado está determinado por 2 mecanismos: •

Mezclado distributivo: consiste en hacer que el componentes minoritario se distribuyan homogéneamente en la matriz, debido a la aplicación de una deformación, sin la presencia de resistencia cohesivas es decir sin que sus partículas se encuentren unidas (Morton, 2003, p. 78).

En la figura 1.13 se observa el mezclado distributivo de las fibras gracias a los esfuerzos aplicados.

Figura 1.13 Mezclado distributivo del componente minoritario en la matriz (Rauwendaal, 1998, p. 2).

•

Mezclado dispersivo: es la ruptura de un aglomerado de partículas sólidas y su dispersión en la matriz, se requiere altas fuerzas cortantes que permitan la rotura del sistema y un cambio físico en los componentes, al disminuir el tamaño la masa decrece y por ende las fuerzas de atracción esto provoca que las partículas se agrupen y se obtenga una mezcla mejor (Osswald & Giménez, 2008, p. 128; Rauwendaal, 1998, p. 49).

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En la figura 1.14 se observa el mezclado dispersivo que se genera por la disminución del tamaño de las fibras en la mezcla.

Figura 1.14 Mezclado dispersivo del componente minoritario en la matriz (Rauwendaal, 1998, p. 2).

Los equipos de mezclado de polímeros pueden clasificarse en dos grupos mezcladores internos y mezcladores en continuo estos últimos serán descritos en la sección 1.2.3. Los mezcladores internos son equipos de alta intensidad que en su interior generan flujos elongacionales y de cizalladura complejos, favoreciendo la dispersión de las partículas sólidas dentro de matrices poliméricas, esta dispersión dependerá del tiempo de mezcla, velocidad del rotor, temperatura y geometría de las palas del rotor (Osswald & Giménez, 2008, págs. 136,137).

Figura 1.15 Esquema de un mezclador Bambury (Morton, 2003, p. 85)

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En un mezclador interno tipo Banbury existen dos rotores que giran en sentido contrario dentro de una cámara calefactada como se puede observar en la Figura 1.15, estos rotores tienen aspas que al girar untan el material contra la cámara y permiten el mezclado, la uniformidad de la mezcla se da por la velocidad de los rotores, dentro del mezclador existe un flujo complejo: cuando el material ingresa al espacio entre los rotores existe un flujo elongacional y cuando sale un flujo cortante (Morton, 2003, p. 86).

1.2.3. EXTRUSIÓN DEL MATERIAL COMPUESTO

El proceso de extrusión es la acción de impulsar por medio de presión un polímero fundido a través de un dado o boquilla, obteniendo un perfil o producto de sección constante, una extrusora de husillo es una bomba de arrastre, cuyo funcionamiento se basa en un gradiente de presión y en la deformación del fluido (Osswald & Giménez, 2008, p. 87; Richardson & Lokensgard, 2000, p. 189). Un extrusor posee un husillo o tornillo que gira dentro de un barril cilíndrico, cuyas funciones principales son las de presurizar, calentar, mezclar y bombear, para explicar cómo se realizan estas funciones en la extrusora se la divide en tres zonas que son:

•

Alimentación

•

Compresión

•

Dosificación

En la zona de alimentación se recoge el material de la tolva y es transportado hacia adelante del canal del husillo, al mismo tiempo empieza a comprimirse y calentarse, el transporte es mejor cuando el material se pega a las paredes del barril, el transporte del material en esta zona dependerá de:

•

La profundidad del canal del husillo

•

La fricción que se genera entre el material con el husillo y el barril

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El flujo se verá favorecido si la fricción del material con las paredes del barril es alta, mientras la fricción con las paredes del canal del husillo es baja (Osswald & Giménez, 2008, p. 88) La zona de compresión presenta husillos con canales menos profundos que en la zona de alimentación, esto genera que el material se comprima y fuerce al aire contenido a salir hacia la parte de la tolva, en esta zona ocurre la fusión, la relación de compresión es el volumen del canal del husillo en la primera vuelta sobre el volumen del canal del husillo en la última vuelta esta relación puede ir de 2:1 hasta 4:1 (Ramos, 2002, p. 72). En la zona de dosificación el material alcanza la consistencia adecuada junto con la presión y temperatura requerida para ser suministrada al dado, la presión debe ser alta para garantizar un mezclado homogéneo. A continuación del cabezal se tiene un plato rompedor que transforma el flujo rotacional del fluido en un flujo lineal una placa con varias perforaciones también ayuda a retener impurezas y material que no ha fundido. En la fabricación de materiales compuestos un punto crítico en el proceso de extrusión es garantizar un mezclado homogéneo de los componentes, para esto se debe aumentar una zona con una configuración del husillo que permita que el material se reoriente, esta parte del husillo se la conoce como zona de mezclado. Para optimizar los procesos en cada zona se varia la temperatura a lo largo de la extrusora lo común es tener de 2 a 7 zonas (Ramos, 2002, p. 73). Para la extrusión de materiales compuestos se usan varios sistemas descritos en la Figura 1.16.

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Figura 1.16 Diagrama de los sistemas de extrusión aplicados a la mezcla de materiales compuestos (Oksman & Sain, 2008, p. 79). Cada sistema tiene sus ventajas y desventajas, las extrusoras de mono-husillo y las de doble husillo contra-rotante tienen buena presión, por esto se utilizan principalmente para la extrusión de perfiles de materiales compuestos. La extrusora de doble husillo co-rotante es la mejor para realizar mezclas, permite una fácil desgasificación y posee alta flexibilidad para el procesado, por esto en la industria del material compuesto es la más usada (Oksman & Sain, 2008, p. 80).

1.2.3.1. Extrusora de mono husillo

Es la extrusora más utilizada para perfiles y láminas, en especial para la fusión del plástico en equipos de moldeo por inyección, el material antes de entrar a la tolva de alimentación debe ser mezclado, se alimenta el material por lo general por medio de una tolva de gravedad, no requiere de alimentadores, el porcentaje de salida se

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relaciona directamente con la velocidad del tornillo, por lo tanto para regular la salida se requiere una unidad de velocidad variable, el mecanismo de fusión de la mezcla se da por el calor transmitido desde el barril y por el diseño del tornillo (Oksman & Sain, 2008, p. 81) en la Figura 1.17 se aprecia el esquema de dicha extrusora.

Figura 1.17 Esquema básico de una extrusora mono-husillo (Oksman & Sain, 2008, p. 82)

Las ventajas de este equipo son su bajo costo y su funcionamiento ampliamente estudiado (Morton, 2003, p. 96; Oksman & Sain, 2008, p. 81). Las desventajas incluyen costos tasas de producción bajas, el polímero se funde con la fibra con mayor riesgo de descomposición térmica, altas revolucione con riesgo de que se queme la punta del tornillo y dificultad al mantener la temperatura de fusión cuando existe alta presión (Kim & Pal, 2010, p. 70).

1.2.3.2. Extrusora de doble husillo contra-rotante

El principal objetivo de este equipo es la fusión y la acumulación de presión para la extrusión de perfiles. Es muy útil para polímeros sensibles al calor, fibras y espumas de baja temperatura de extrusión, materiales no compuestos como mezclas de polvos, materiales difíciles de alimentar y materiales que requieren desgasificación. La tasa de salida de material extruido es independiente de la velocidad del tornillo,

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por esto puede utilizar unidades de velocidad fija o variable (Richardson & Lokensgard, 2000, p. 139) (Oksman & Sain, 2008, p. 83) en la Figura 1.18 se aprecia el esquema de dicha extrusora. Para el ingreso de los componentes se debe secar la fibra, y asegurar que los materiales que se alimentan tengan un tamaño uniforme de partícula, para el ingreso en la extrusora se debe hacer una mezcla de alta intensidad fibra-polímeroaditivos (Kim & Pal, 2010, p. 71).

Figura 1.18 Esquema básico de una extrusora de doble-husillo contra-rotante (Oksman & Sain, 2008, p. 83)

El mecanismo de fusión de la mezcla se da por el calor transmitido desde el barril y por la mezcla en el tornillo, que se da por tornillos de corte y mezcladores de engranajes, la humedad es removida por puertos de venteo al vacío. Una de las ventajas de este tipo de extrusoras es la baja velocidad del usillo que generan mezclas de bajo cizallamiento. Las desventajas que presenta este proceso es la necesidad de un tamaño de partícula uniforme para los materiales alimentados, requiriendo un sistema de reducción de tamaño y un sistema de pre-mezcla, el polímero se funde con la fibra con un alto riesgo de quemar la fibra (Kim & Pal, 2010, p. 71).

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1.2.3.3. Extrusora de doble husillo co-rotante

Este tipo de extrusoras se usan para todo tipo de mezclas en la industria del plástico la capacidad de transporte del producto es muy buena y la velocidad del tornillo no influye a la tasa de salida del material por lo que se puede usar unidades de velocidad fijas o variables. En la Figura 1.19 se aprecia el esquema de dicha extrusora con sus partes básicas.

Figura 1.19 Esquema básico de una extrusora de doble-husillo co-rotante (Oksman & Sain, 2008, p. 83)

Las materias primas que se alimentan no necesitan de ningún tratamiento especial, tampoco se requiere un pre-mezclado, los sistemas de alimentación son gravimétricos con alimentadores laterales de doble tornillo. El mecanismo de fusión incluye el calor del barril, el giro del husillo y la mezcla en el husillo. La humedad de las fibras debe estar entre 5-8 %, para eliminar los restos de humedad se usa puertos de ventilación atmosférica y al vacío. Las ventajas son la alimentación de fibras con contenido de humedad ambiental, lo que elimina las operaciones de secado y la eficiencia en el mezclado (Oksman & Sain, 2008, p. 83; Richardson & Lokensgard, 2000, p. 133).

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Las desventajas son la necesidad de sistemas de alimentación periféricos, altas velocidades de giro del tornillo y al no poseer tornillo de enfriamiento existe mayor riesgo de quemaduras (Kim & Pal, 2010, p. 72).

1.2.4. MÉTODOS DE ANÁLISIS EN EL PROCESAMIENTO DEL WOOD PLASTIC COMPOSITE

En la fabricación del WPC se debe tener en cuenta varios parámetros que definen la calidad del material como son:

•

Resistencia a la flexión a tres puntos (ASTM D790-10) en este ensayo el material se somete a un esfuerzo de compresión en la zona central, en el rodamiento de carga y a los extremos se somete a un esfuerzo de tensión, esto permite determinar cómo se dará el pandeo del material en el momento de su uso. (Oksman & Sain, 2008, p. 104)

•

Resistencia a la tracción (ASTM D638-10) determina la fuerza máxima que soporta el material hasta su punto de fallo, manteniendo constantes las condiciones ambientales y de velocidad, en la Figura 1.20 se puede apreciar el equipo de ensayos universales para pruebas mecánicas .

Figura 1.20 Maquina de ensayos universales flexión – tracción (Oksman & Sain, 2008, p. 105)

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•

Absorción de agua: permite determinar el hinchamiento del material al someterlo a un contacto prolongado con agua, esto genera una idea del recubrimiento de la fibra con el polímero, pues la fibra tiende a hincharse al contacto con el agua, pero, si esta se encuentra recubierta por el polímero, este hinchamiento es menor; para lograr un mejor recubrimiento de la fibra se debe usar métodos de activación de las fibras o agentes de acoplamiento que permitirán una unión más fuerte y por ende un mejor recubrimiento (Klyosov, 2007, págs. 26,27).

•

Degradación microbiana: este parámetro nos indica la porosidad del material pues a mayores porosidades existe una mayor acumulación de moho en la superficie. Esta porosidad dependerá de dos factores: la concentración del material lignocelulósico y la humedad que este posea al momento de hacer el composite; el uso de biocidas en la formulación previene o disminuye la degradación microbiana.

•

Oxidación: este parámetro se debe controlar con el uso de antioxidantes, debido a que este es el motivo principal de los fallos en materiales poliméricos reciclados expuestos al ambiente (Klyosov, 2007, p. 37), estos antioxidantes preservan al polímero de las temperaturas de reprocesamiento, y de las condiciones ambientales a las que será sometido en su uso final.

En el material compuesto de madera plástica la interfase fibra matriz juega un papel importante al momento de determinar las propiedades físicas y mecánicas del material, se conoce como interfase a la adhesión que existe entre el polietileno y el material lignocelulósico, esta adhesión no tiene mayor influencia sobre la rigidez del material pero si condiciona la resistencia y tenacidad junto con propiedades a largo plazo como es la fluencia, y la estabilidad a la humedad (Oksman & Sain, 2008, p. 41).

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1.2.4.1. Índice de fluidez

Es un indicador de flujo de materiales fundidos, el método consiste en hacer fluir el material fundido a través de un dado y medir el producto al cortar y pesar secciones del material extruido a determinados tiempos, este se reporta como el peso en gramos que fluye del material a través del dado capilar en un tiempo de 10 min, un índice de fluidez bajo significa un peso molecular alto, este es un parámetro importante para el procesamiento de los plásticos (Morton, 2003, págs. 60, 61).

1.2.4.2. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourie FTIR

Es una técnica usada por su precisión, rapidez y bajo costo, se basa en la absorción de energía de la molécula en la zona infrarroja del espectro electromagnético, un compuesto orgánico genera bandas de absorción que son útiles para indicar la presencia de determinados grupos funcionales. La zona infrarroja en el espectro electromagnético se encuentra entre 13 300 – 20 cm-1, el IR se divide en tres zonas IR cercano 13 300 – 4 000 cm-1, IR medio 4 000 – 400 cm-1, IR lejano 400 – 20 cm-1 siendo el IR medio donde se dan las aplicaciones analíticas (Naranjo & Noriega, 2002, págs. 8,9) Existen dos tipos de instrumento de IR los dispersivos que usan un prisma o una red de difracción y los que usan un interferómetro junto con algoritmos basados en las transformadas de Fourier que permiten la conversión de los interferogramas en espectros de absorción o transmisión, estos

presentan mayor sensibilidad,

resolución y alta velocidad, (Valcacer & Gómez, 1988, p. 739). Una gran ventaja de este método es su gran versatilidad pues puede estudiar cualquier muestra sin importar su estado. La radiación electromagnética hace que las moléculas del polímero sufran deformaciones, vibraciones, y desplazamiento de los enlaces en las cadenas del

38

polímero esto hace que las moléculas realicen movimientos de rotación y vibración al mismo tiempo, existen vibraciones simétricas, antisimétricas, tijereteo, torsión, aleteo y balanceo (Naranjo & Noriega, 2002, p. 10). La absorción de la radiación infrarroja provoca cambios en el estado vibracional de la molécula, cada molécula genera un modo distinto de vibración por lo que los espectros vibracionales son únicos y se lo conoce como “huella dactilar” (Koenig, 2001, p.s. 5,6). Para la identificación de polietileno se debe tener en cuenta las bandas características que posee el polímero en el espectro infrarrojo, estas bandas son a 3 030 – 2 920 cm -1, 1 470 – 1 380 cm -1, 730 -720 cm -1, para saber si es polietileno de alta densidad debe presentar una banda a 1 368 cm -1 (Naranjo & Noriega, 2002, p. 17).

1.2.4.3. Calorimetría diferencial de barrido DSC

Este método analítico permite el estudio de los procesos en los que se produce una variación en la entalpia, permitiendo determinar las transiciones térmicas de material como la fusión, la cristalización, transición vítrea, calores específicos, pureza de compuestos, entalpias de reacción y otras transiciones de primero y segundo orden, el DSC trabaja en un intervalo de temperaturas de -180 °C a 600 °C esto representa una ventaja para el análisis de polímeros ya que estos presentan todas sus transiciones térmicas en este intervalo de temperaturas (Naranjo & Noriega, 2002, p. 102,103). Para el análisis se coloca la muestra en un horno de calentamiento lineal y se registra la variación de temperatura con respecto a una probeta de referencia, obteniendo una curva de la cantidad de calor a cada temperatura, cuando se alcanza la temperatura de transición vítrea la curva produce un salto cuyo inicio determina la Tg, posterior a esto se puede apreciar las transiciones en la cristalización, fusión y el inicio de la degradación, como se muestra en la Figura

39

1.21 , debido al elevado peso molecular de los polímeros, las transiciones de evaporación y sublimación no se dan puesto que el polímero se degrada (Michaeli, Wegener, & Capella, 1993, p. 142,143).

Figura 1.21 Esquema de un termograma típico de un polímero semicristalino (Michaeli, Wegener, & Capella, 1993, p. 142)

1.2.4.3.1. Transición vítrea

A temperaturas bajas el polímero se encuentra en un estado vítreo con movimientos moleculares limitados, al llegar a la temperatura de transición vítrea empieza el movimiento de las cadenas del polímero, en un material semicristalino el movimiento se presenta en las zonas amorfas del material, por lo tanto, la temperatura de transición vítrea marca el cambio de un estado frágil a un estado elástico. El polietileno posee cadenas flexibles por la naturaleza de sus enlaces por esto presenta una temperatura de transición vítrea bajo los 0 °C (Groenewoud, 2003, p. 14).

40

1.2.4.3.2. Cristalización

Es un proceso exotérmico en el cual las cadenas del polímero se encuentran a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea e inferior a la temperatura de fusión esto, permite que las moléculas tengan más movilidad y cristalicen, la temperatura de cristalización es cuando se da la máxima velocidad de cristalización en el polímero (Ehrenstein & Riedel, 2004, p. 8).

1.2.4.3.3. Fusión

Es un proceso endotérmico en el cual se da el cambio de solido cristalino a liquido isotrópico, la temperatura de fusión es el pico endotérmico donde se obtiene el máximo flujo de calor, este depende de las fuerzas intermoleculares y la rigidez o flexibilidad de la cadena del polímero (Groenewoud, 2003, p. 16).

1.2.4.4.Termogravimetría

Mide el cambio del peso de la muestra al incrementar la temperatura, en una atmosfera determinada y un calentamiento controlado, cuando se produce un cambio de peso brusco a una temperatura determinada se asume la presencia de descomposiciones, sublimaciones, absorción entre otras El equipo mide el porcentaje del peso que se pierde y la temperatura a la que sucede la perdida obteniendo una curva termogravimétrica (Groenewoud, 2003, p. 62).

41

2.

PARTE EXPERIMENTAL

2.1.

CARACTERIZACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS.

2.1.1. POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD

Para este estudio se utilizó polietileno de alta densidad reciclado (PEADr) de jabas, provenientes de la planta de producción de la Empresa “Cervecería Nacional”, por medio de una donación de 50 jabas en mal estado. Las jabas presentaban roturas, tierra, pintura, entre otros contaminantes propios del uso que tienen y de su apilamiento a la intemperie, En la Figura 2.1 se aprecia el estado de las jabas y como después de ser cortadas aún se encontraban sucias.

Figura 2.1 Jabas en mal estado antes de ser cortadas y cortadas.

42

2.1.1.1. Acondicionamiento del polietileno

Para el reciclaje se realizó los siguientes procesos:

PRELAVADO

CORTADO

LAVADO

MOLIENDA

Figura 2.2 Preparación del polietileno proveniente de las jabas de cerveza para su reciclaje.

•

El pre-lavado consistió en desprender de las jabas goma de mascar, adhesivos y suciedad fácil de remover. Debido al tamaño de las jabas y a la limitación del espacio no se realizó una limpieza más profunda.

•

El cortado de las jabas se realizó con una sierra eléctrica, tratando de obtener cuadrados de polietileno de aproximadamente 5 x 5 cm para poder alimentarlos por la boca del molino de cuchillas, se utilizó la parte exterior de las jabas, desechando las redes que sostienen las botellas, debido a su mal estado y dificultad de corte.

•

El lavado de las piezas se realizó con agua y cepillos, para lograr separar la tierra y otras impurezas, se dejó secar las piezas al ambiente, y se retiró las piezas de las que no se puedo desprender la suciedad.

•

Para la molienda se utilizó el molino de cuchillas marca SHINI modelo SG-23485 con una frecuencia de 60 Hz.

43

2.1.1.2. Caracterización del polietileno reciclado

Para el polietileno se realizó una caracterización estructural y se determinó su procesabilidad. Caracterización estructural

Para la caracterización estructural se realizó las siguientes pruebas: Densidad: Según la norma ASTM D792 – 08 utilizando un accesorio normalizado de marca METTLER – TOLEDO, este fue acoplado a la balanza analítica Denver Instrument Company modelo AA-200, que presenta una capacidad máxima de 200 g y una precisión de 0,0001 g, se realizaron mediciones por triplicado con agua destilada como fluido de inmersión a una temperatura de trabajo de 19 y 20 °C medida con un termómetro, 51,5 °C, 0,5 °C, acoplado al kid normalizado, se tomó el peso de la muestra en el aire y luego se la sumergió en el agua registrando la variación del peso. La densidad final fue corregida respecto a la temperatura de trabajo y a la densidad del agua, el cálculo de la densidad se encuentra en el Anexo I. Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR: según la norma ASTM D 5576-00, en un espectrofotómetro Perkin Elmer modelo Espectrum One. En el material se identificó algunas tonalidades de amarillo, por esto se clasificó el polietileno en 3 tonalidades: amarillo claro, amarillo rojo, y amarillo tomate, como se puede apreciar en la Figura 2.4, de cada una de estas se moldeó laminas finas en la prensa calefactada Carver modelo 2112-2, 400 °C, 5 °C; 500 psi; 7000 psi, a una temperatura de 180 °C por 30 s y una presión de

2 t.

Esto permitió analizar índices de carbonilo, confirmar que el material utilizado es polietileno de alta densidad al establecer los grupos funcionales y verificar la inexistencia de otros componentes.

44

Figura 2.3 Tonalidades del polietileno reciclado. Calorimetría diferencial de barrido DSC: según norma ASTM D3418-08, en un calorímetro diferencial de barrido marca Netzsch modelo DSC F1 204 Phoenix, 700 °C, 0,1 °C se trabajó en atmosfera inerte con un flujo de 250 ml/min de nitrógeno grado 4,8, para las 3 tonalidades de amarillo de las muestras. Se pesó el crisol de aluminio de 25 µl junto con la muestra en una balanza modelo Libror AEL-40SM, 42 g, 0,00001 g. En este ensayo se establecieron los puntos de fusión y la inexistencia de algún otro tipo de material. Termogravimetría: según la norma ASTM E1131 – 08 en un equipo de termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de nitrógeno de 50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min, hasta alcanzar 850 °C, se determinó la temperatura en la que el material empieza a perder peso, parámetro que condiciona el procesamiento del material.

45

Determinación de la procesabilidad Con el fin de determinar condiciones de procesamiento y conocer el material que se iba a utilizar se realizaron las siguientes pruebas: Índice de fluidez: según la norma ASTM D1238 – 10, a una temperatura de 190 °C y 2,16 kg, usando un plastómetro de extrusión marca CEAST modelo 6942,1 °C, 200 ° C, para determinar la cantidad de material que fluye a través del orificio de un dado capilar en 10 min. Se realizaron tres mediciones colocando en el espacio confinado del equipo 5 g de muestra, los pedazos de polietileno obtenidos se pesaron en la balanza analítica Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g , 0,0001 g. Este proceso se repitió con muestras de polietileno reciclado, que se las pasó por el reómetro una, dos y tres veces a las condiciones de procesamiento que se establecieron para la mezcla en el numeral 2.2.1.2. Densidad aparente: según la norma

ASTM D1895-96, usando una balanza

analítica marca METTLER - TOLEDO modelo PG002-S , 5100 g, 0,01 g y una probeta graduada para medir el volumen que ocupa determinada cantidad de masa del material, la densidad aparente dependerá del tamaño de las partículas y la cantidad de orificios que presente el material.

2.1.2. PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS

2.1.2.1 Acondicionamiento del aserrín

Se recolectó aserrín de varios aserraderos, este presentaba gran variedad de tamaños y contaminantes como cartón, clavos, restos de sierras entre otros. Se mezcló todo el aserrín, en el suelo usando una pala, a continuación se usó una malla para eliminar las partículas grandes tanto de aserrín como de contaminantes con esto se logró un material más homogéneo. Se realizó un muestreo por el método de cuarteo como se muestra en la 2.4.

Figura

46

Figura 2.4 Proceso de cuarteo del aserrín Según bibliografía se seleccionó un tamaño de partícula menor a 149 µm (Douglas, Murphy, Billham, & McNally, 2004) (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011) que corresponde a un tamiz malla 100 o menor. Por medio de un análisis granulométrico, se determinó el D80, con el objeto de determinar el tamaño promedio de partícula presente en el material recogido y el porcentaje que cumple con el tamaño de partícula requerido existente en el aserrín recolectado (menor a 149 µm), para esto se usó un agitador de tamices marca HUMBOLDT MODELO H-4325, en el que se colocó tamices normalizados de malla número 20, 30, 50, 60 y 100, mesh, ordenados de manera decreciente es decir sobre la base el tamiz número 100 y en el extremo superior el tamiz número 20, en este se colocó 200 g de aserrín tomados mediante muestreo por cuarteo. Se ajustó los tamices en el agitador y se dejó en agitación continua por 30 minutos, se abrieron los tamices y se pesó la cantidad de material retenido en cada uno, con esto se realizó el análisis del D80. Posterior a la determinación del D80 se realizó la separación del aserrín seleccionado para el proceso, esto constó de las siguientes etapas:

47

SEPARACION DE GRUESOS E IMPUREZAS

TAMIZADO MALLA 100

SEPARACIÓN DE LIMALLAS

Figura 2.5 Preparación del aserrín para el procesado. Separación de gruesos e impurezas: Haciendo pasar el aserrín recolectado por un cedazo, esto permitió tener un aserrín con partícula más homogénea, separando la mayoría de los contaminantes, facilitando el tamizado en el tamiz normalizado, para obtener el tamaño de partícula deseada. Tamizado malla 100: Se usó un tamiz normalizado que cumple con la norma ASTM E11-09 y un agitador de tamices marca HUMBOLDT modelo H-4325, se colocó 300g del aserrín pasado por el cedazo y se tamizo por 15 min se recolectó el aserrín menor de 149 µm y se desechó el resto. Separación de limallas: Con el aserrín a un tamaño de partícula menor a 149 µm se procedió a pasarlo con un imán para remover las limallas que el aserrín pudiera presentar, para seguridad de los equipos en el procesamiento.

2.1.2.2. Caracterización del aserrín

Para la caracterización del aserrín se realizó una homogenización por cuarteo del material ya tamizado (menor a 149 µm), se tomó las muestras y se procedió de la siguiente manera:

•

Humedad inicial del aserrín: Por el método de diferencia de peso, para esto se tomó muestras por triplicado, se taró tres capsulas de porcelana en la estufa marca VENTICELL a 100 °C durante 4 h, en cada una de las capsulas se colocó aproximadamente 7 g de aserrín, y se las metió a la estufa, a cada hora se

48

pesaron las muestras en una balanza analítica Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g, 0,0001 g, hasta llegar a un peso constante.

•

Curvas de hidratación por triplicado: Se procedió a secar las muestras hasta alcanzar peso constante en la estufa marca VENTICELL a 100 °C durante 4h, se las saco y se las colocó al ambiente, se pesó las muestras en intervalos de 10 min durante la primera hora, a partir de la primera hora se tomó el peso de las muestras cada 30 min, hasta alcanzar las 2 h, durante las siguientes 6 h se tomó los pesos en intervalos de 3 h y después cada 24 h hasta los 3 días de esta forma se dió seguimiento al proceso de hidratación del aserrín al ambiente durante 72 h.

•

Contenido de cenizas: por el método de calcinación, se tomó muestras por triplicado de aproximadamente 5 g de aserrín, se las colocó en capsulas de porcelana previamente taradas y pesadas en una balanza analítica marca Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g, 0,0001 g, estas fueron introducidas en una mufla de marca Vulcan A-130 a 500 °C durante 1 h, se tomó el peso final y se determinó el contenido de cenizas.

•

Densidad aparente: según la norma ASTM C128-12, usando una balanza analítica marca METTLER - TOLEDO modelo PG002-S , 5100 g, 0,01 g y una probeta graduada para medir el volumen de determinada masa de material.

•

Análisis termogravimétrico (TGA): según la norma ASTM E1131 – 08 en un equipo de termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de nitrógeno de 50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min entre 500 °C a 850 °C, para determinar la estabilidad térmica del aserrín, parámetro que condiciona el procesamiento del material.

49

2.1.3. AGENTE DE ACOPLAMIENTO

Para su caracterización se realizaron los siguientes análisis: Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR, según la norma ASTM D 5576-00, en un espectrofotómetro Perkin Elmer modelo Espectrum one para esto se moldeó laminas finas en la prensa calefactada Carver modelo 2112-2 400 °C, 5 °C; 500 psi; 7000 psi a una temperatura de 130 °C por 30 s a una presión de 1 t, se colocó la lámina del material en el equipo y se obtuvo el espectro del agente de acoplamiento, con esto se procedió a determinar los grupos funcionales presentes. Calorimetría diferencial de barrido DSC, según norma ASTM D3418-08, en un calorímetro diferencial marca Netzsch modelo DSC F1 204 Phoenix, 700 °C, 0,1 °C se trabajó en atmosfera inerte con un flujo de 250 ml/min de nitrógeno, para pesar el crisol de aluminio de 25 µl y la muestra, se utilizó una balanza modelo Libror AEL-40SM, 42 g, 0,00001 g, se determinaron las transiciones térmicas del material. Termogravimetría según la norma ASTM E1131 – 08 en un equipo de termogravimetría marca SHIMADZU modelo TGA-50 con un flujo de nitrógeno de 50 ml/min, con una velocidad de calentamiento de 20 °C/min

entre 500 °C a

850 °C, Se definió la estabilidad térmica del material.

2.2.

EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE RECEPCIÓN QUE PRESENTA EL POLIETILENO RECICLADO AL ADICIONAR PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS.

Para determinar la capacidad de recepción de partículas lignocelulósicas en el polietileno, sin el agente de acoplamiento, se realizaron mezclas entre el 5 % al

50

45 % en pasos del 5 % de aserrín con polietileno, de donde se seleccionó la mezcla que mejores propiedades mecánicas presentó.

2.2.1. PROCESAMIENTO DE LAS FORMULACIONES

Para el procesamiento del material compuesto se realizaron los siguientes procesos:

SECADO (Aserrín)

MEZCLADO (Reometro)

MOLIENDA (Del producto del reometro)

TROQUELADO

MOLDEO POR COMPRESIÓN

SECADO (Mezcla molida)

Figura 2.6 Pasos del procesamiento del material compuesto

2.2.1.1. Secado del aserrín

Se determinó, según bibliografía, que el aserrín debe tener un contenido de humedad entre 0-1 % (Ayrilmis, 2012, p. 2) (Villamar, 2013, p. 97), con la caracterización del aserrín realizada anteriormente, se determinó que se alcanzó un peso constante en aproximadamente 4 h, por lo tanto se secó el aserrín en una estufa de marca VENTICELL a 100 °C durante 4 h para garantizar que el contenido

51

de humedad sea menor al 1 % y así garantizar que no exista vapor de agua que dificulte la unión fibra – polietileno.

2.2.1.2. Mezclado

Las mezclas se prepararon

en un reómetro de torque electrónico marca Haake

modelo Rheomix 600P, se configuró el equipo utilizando rotores Roller para procesar la mezcla. En cada carga se llenó en un 70 % la capacidad de la cámara, los cálculos de los pesos en la cámara se encuentran en el Anexo III. Primero se colocó el polietileno dejándolo fundir por aproximadamente 5 minutos, se abrió la cámara y se colocó el aserrín, se dejó la mezcla 5 minutos más, pues en ese tiempo se alcanzó la estabilidad en el reograma (Torque vs. Tiempo) lo cual indica que la mezcla se encuentra homogénea al mantener el torque constante, la temperatura de procesamiento fue de 180 °C con una velocidad de giro de 50 rpm (Cui, Lee, & Bahman, 2008, p. 656) y un tiempo total de 10 minutos.

2.2.1.3. Molienda y secado del material obtenido

Con el material obtenido del reómetro se procedió a moler en un molino de cuchillas de laboratorio, marca Thomas - WILLE modelo 4 perteneciente al Centro Textil Politécnico, para cada una de las formulaciones se limpió el molino después de la molienda, para que no exista contaminación entre las muestras. Para el secado se colocaron las muestras molidas en cajas de papel aluminio etiquetadas, en una estufa de marca VENTICELL a 80 °C durante 4 h posterior a esto se las colocó en un desecador, al vacío, y se procedió a la obtención de las placas.

52

2.2.1.4. Obtención de placas

Se moldeó placas por el método de moldeo por compresión, en una prensa calefactada marca Carver modelo 2112-2, 400 °C ,5 °C; 500 psi; 7000 psi, en moldes tipo flash, a una temperatura de 170 °C dejando que el material se funda durante 5 min con la prensa abierta; posterior a esto se cerró la prensa por 30 s a una presión de 2 t, se dejó salir el aire por 10s y se volvió a cerrar la prensa por 30 s más a una presión de 4 t. Se verificó que las placas no presenten defectos en su superficie, como burbujas de aire o piel de naranja. Con las placas en buen estado se realizaron los análisis de las mezclas. En la Figura 2.7 se puede apreciar las dimensiones del molde tipo flash.

Figura 2.7 Molde tipo flash utilizado en el moldeo por compresión

53

2.2.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES

2.2.2.1. Determinación de la dispersión

Se analizó el mezclado distributivo y dispersivo a contraluz por medio de un negatoscopio con luz fluorescente, de acuerdo al procedimiento establecido en el Centro de Investigaciones Aplicadas a polímeros CIAP de la Escuela Politécnica Nacional, se evaluó las características detectables visualmente como la degradación de las partículas lignocelulósicas (cambios de color en las partículas) y fijación a la matriz, esto se lo realizó macroscópicamente y verificando que no existan zonas en las que el material presente solo polietileno o solo aserrín, asegurando homogeneidad de color en las placas, esto se lo realizó utilizando una cuadricula, verificando que exista un mezclado distributivo y dispersivo en cada zona.

2.2.2.2. Ensayos mecánicos

Ensayo de tracción: Usando la norma ASTM D 638-10, se procedió a troquelar las probetas, usando las placas que se detallaron en el numeral anterior, se usó un troquel de marca CEAST, con un molde tipo halterio, se tomó el espesor de las probetas con un medidor de espesores marca mitutoyo modelo ID-C112 XBS para el ensayo de tracción se utilizó un equipo de ensayos universales marca INSTRON modelo 1011, la separación de las mordazas fue de 6,5 cm y una velocidad de deformación constante de 51 mm/min. Ensayo de flexión: Usando la norma ASTM D790 – 10, se procedió a troquelar probetas rectangulares, se usó el mismo equipo que en el ensayo de tracción con una configuración de flexión a 3 puntos adaptada en la máquina de ensayos universales y se cambió la programación del equipo a flexión.

54

Se compararon las propiedades, del material obtenido, con las del polietileno solo. Se seleccionó, la mezcla que presentó las mejores propiedades con la mayor concentración de partículas lignocelulósicas incorporadas. Adicional a esto se realizó: Ensayo de dureza: Según la norma ASTM D2240-05, a las muestras seleccionadas con mejores propiedades (Muestras al 15 % de aserrín con y sin agente de acoplamiento), usando un durómetro Shore D marca BAREISS fm00087 análogo. Se tomaron muestras del material verificando que el espesor de la placa utilizada sea mayor a 6 mm, para la medición se colocó las placas en una superficie dura y sin inclinaciones, con el durómetro se tomó de cada placa 10 mediciones de dureza, cuidando de no volver a hundir el durómetro en el mismo punto que ya se tomó la medición. Densidad: Se tomó la densidad del material final obtenido, según la norma ASTM D 6111-09 utilizando un accesorio normalizado de marca Mettler – Toledo acoplado a la balanza analítica Denver Instrument Company modelo AA-200, 200 g, 0,0001g, se realizaron mediciones por triplicado con agua destilada como fluido de inmersión a una temperatura de trabajo de 19 y 20 °C medida con un termómetro Mettler – Toledo, 51,5 °C, 0,5 °C, acoplado al equipo, se tomó el peso de la muestra en el aire y luego se la sumergió en el agua registrando la variación del peso. La densidad final fue corregida respecto a la temperatura de trabajo y a la densidad del agua.

2.3.

EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL AGENTE DE ACOPLAMIENTO

En los literales anteriores se determinó la máxima cantidad de aserrín, que soporta el polietileno, antes que sus propiedades se vean comprometidas seriamente, con la cantidad de aserrín fijada, se procedió a añadir el agente de acoplamiento al 0,5 %; 1,0 %; 1,5 %; 2,0 %; 3,0 %; 5,0 % (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011, p. 2).

55

El proceso de mezclado fue realizado de igual manera que el de las mezclas anteriores, es decir, se secó el aserrín, se utilizó el reómetro de torque electrónico marca Haake modelo Rheomix 600P, se utilizó rotores Roller para procesar la mezcla, en este procedimiento lo que cambió fue la manera de colocar los componentes, pues primero se dejó fundir el polietileno por aproximadamente 5 min, posterior a esto se abrió la cámara y se colocó el agente de acoplamiento, una vez alcanzada la estabilidad en el reograma se adicionó el aserrín, dejando a la mezcla alcanzar nuevamente la estabilidad en el reograma aproximadamente en 10 min. El procedimiento que se realizó a continuación para la evaluación de las formulaciones, fue exactamente igual al que se describió en el numeral 2.2.2. para el sistema Polietileno–Aserrín evaluando de la misma manera las propiedades mecánicas, densidad y homogeneidad en el mezclado. Se compararon las propiedades de cada una de las mezclas que contenían agente de acoplamiento, con la mezcla a la concentración seleccionada que no contiene agente de acoplamiento. Se eligió, la dosificación que presentó las mejores propiedades con la menor concentración de agente de acoplamiento.

2.3.1. ACTIVACIÓN DEL ASERRÍN

Para favorecer la unión aserrín-agente de acoplamiento-polietileno se realizó la activación del aserrín por el método alcalino (Cui, Lee, & Bahman, 2008, p. 656), colocando al aserrín en un vaso de precipitación en una solución de hidróxido de sodio al 3 % W/V durante 1 h, posterior a esto se lavaron las fibras con agua destilada y se las secó a 90 °C durante 24 h, para continuar el proceso de la forma citada anteriormente. Este procedimiento solo se realizó una vez para comprobar que las propiedades son las mismas si se activa o no el aserrín, y se decidió no realizar la activación del mismo.

56

Figura 2.8 Activación del aserrín por el método alcalino, utilizando una solución de Na(OH) al 3 %W/V

2.4.

DISEÑO DE UNA PLANTA A ESCALA PILOTO DE GRANZA DE MADERA PLÁSTICA.

2.4.1. INGENIERÍA CONCEPTUAL

2.4.1.1.

Capacidad y localización

Para fijar la capacidad de la planta se consideró la cantidad de residuos sólidos que se produce en la ciudad de Quito, y que van a la estación de transferencia norte, en esta un porcentaje es reciclado y otro es catalogado como desechos de rechazo (EMGIRS-EP, 2014, p. 1), la capacidad de la planta se estimó de acuerdo a la cantidad de materia prima plástica reciclada disponible (ver Anexo IV), pues el otro componente, el aserrín, es de fácil adquisición al ser un desecho de la industria maderera. Para seleccionar la localización de la planta se tomó en cuenta la macrolocalización que hace referencia a la zona que mejores prestaciones dará a la planta, por la cercanía de proveedores de materia prima y la facilidad de acceso al lugar. Además se debe tomar en cuenta la micro-localización que se enfoca a la existencia de servicios básicos, regulaciones municipales, disponibilidad de mano de obra y facilidad de movilización de empleados (Sinnot, 2005, p. 892).

57

2.4.2. INGENIERÍA BÁSICA

2.4.2.1. Balances de masa y energía

Se realizó el balance de masa tomando en cuenta la producción de la planta, con una producción continua 24 h (ver Anexo IV). La concentración del aserrín y la cantidad de agente de acoplamiento se fijó experimentalmente, y a partir de esto se calculó la cantidad requerida de aserrín, agente de acoplamiento y polietileno reciclado para un día de producción. Se diseñó de manera preliminar una planta piloto para obtener granza de madera plástica. El consumo energético de la planta se llevó a cabo tomando en cuenta las horas de funcionamiento de los equipos y sus respectivas potencias demandadas. Para la distribución de los equipos en planta se realizaron los diagramas de flujo (PFD), diagrama de bloques (BFD), un Lay out de la planta con los equipos y etapas del proceso, además, se estableció el área necesaria para la instalación de la planta.

2.4.2.2. Selección y dimensionamiento de equipos

Para establecer el proceso tecnológico se realizaron varias pruebas en la extrusora de doble husillo marca Jiangsu Xinda Science & Technology modelo CLAMSHELL PSHJ-35 calibrando las condiciones de la extrusora para el procesamiento del producto deseado, a continuación se describen los pasos seguidos:

58

2.4.2.2.1. Curvas de calibración

Para la dosificación del aserrín, polietileno y agente de acoplamiento se construyeron curvas de calibración de la tolva principal y de la secundaria, en la tolva principal se dosifico el polietileno mientras que en la secundaria se dosificó el agente de acoplamiento y el aserrín por separado, según la mezcla que se estaba realizando. Para la calibración el procedimiento fue el mismo para los tres materiales:

•

Se llenó la tolva hasta una altura determinada, teniendo la precaución de mantener constante la altura durante el proceso de calibración.

•

Se prendió el motor de la tolva y se fijó velocidad de giro del tornillo de arrastre.

•

Se esperó que el flujo se estabilice a esa velocidad y se tomaron 5 muestras de la cantidad de material que entrega la tolva en 1 min.

•

Las muestras fueron pesadas en una balanza analítica marca METTLER TOLEDO modelo PG002-S.

•

Para repetir el proceso y obtener otro punto para la curva, se varió la frecuencia se esperó que se estabilice nuevamente y se repitió la toma de las 5 muestras en el tiempo determinado.

•

Se realizó un gráfico de flujo másico versus velocidad de rotación para conocer la cantidad de material que se puede dosificar a determinada velocidad.

Para cada material el rango de velocidades de la tolva fue diferente puesto que las densidades y tamaños de partícula eran diferentes en los 3 casos.

2.4.2.2.2. Perfil de temperaturas

Se realizaron pruebas en la extrusora, para establecer un perfil de temperaturas de procesamiento de los componentes: •

Se fijó el perfil de temperatura para el polietileno reciclado, tomando en cuenta las condiciones obtenidas en la caracterización del material y en el

59

procesamiento previo que se realizó en el mezclador interno, se variaron las temperaturas de manera ascendente hasta lograr que el material salga de la extrusora sin restos de material sin fundir y que el tallarín sea continuo sin espacios de aire, adicional a esto se ajustó la velocidad de giro del usillo tomando tiempos de residencia del material dentro del barril a diferentes velocidades de giro y se determinó la velocidad que junto con la temperatura permitían que el tallarín salga sin problemas . •

Una vez que se fijaron estas temperaturas y la velocidad del husillo, se procedió a alimentar el aserrín, usando las curvas de calibración obtenidas, se dosificó el aserrín al porcentaje previamente fijado, se mantuvo las temperaturas establecidas para el polietileno reciclado puesto que el material corrió sin dificultad y se tomó nuevamente el tiempo de residencia dentro del barril, se verificó que el material salga de manera homogénea sin que exista betas de color amarillo correspondientes al polietileno sin mezclar

•

Para el agente de acoplamiento se disminuyó la temperatura de ingreso de la alimentación puesto que el agente de acoplamiento tiene una temperatura de fusión baja y esto dificulta el arrastre de este material debido a que se funde prematuramente en esta zona.

2.4.2.2.3. Mezclado del material en la extrusora

Se mezcló en la extrusora primero el polietileno y el agente de acoplamiento a la concentración requerida puesto que el equipo dispone de dos tolvas se colocó el polietileno en la tolva principal y el agente de acoplamiento en la secundaria, se extruyó el material, se lo cortó y recogió. Con el polietileno impregnado de agente de acoplamiento se volvió a calibrar la tolva principal de la manera descrita anteriormente puesto que el tamaño de partícula varió y la calibración anterior del polietileno ya no era útil.

60

A continuación se dosificó el aserrín junto con la mezcla polietileno-agente de acoplamiento y se obtuvo el material compuesto formulado.

2.4.2.2.4. Calibración del peletizador

•

Se prendió el motor del peletizador y se fijó velocidad de arrastre, se alimentó el tallarín que sale de la extrusora y se esperó que todo el sistema esté en equilibrio.

•

Se tomaron 5 muestras de la cantidad de material que entrega el peletizador en 1 min.

•

Las muestras fueron pesadas en una balanza analítica marca METTLER TOLEDO modelo PG002-S.

•

Para repetir el proceso y obtener otro punto para la curva, se varió la frecuencia del giro del husillo y del peletizador, se esperó que se estabilice nuevamente y se repitió la toma de 5 muestras en el tiempo.

•

Se realizó un gráfico de flujo másico versus velocidad de giro, para conocer la cantidad de material que se puede obtener a determinada velocidad de giro del husillo.

2.5.

DETERMINACIÓN

DE

LA

INVERSIÓN

ECONÓMICA

REQUERIDA. 2.5.1. COSTOS DE MATERIA PRIMA

Las materias primas provienen de reciclaje, esto hace que su precio no se pueda determinar, dado que la venta de plásticos reciclados se da de manera informal no se encontró precios oficiales, el precio usado para el polietileno se estima a partir de los precios de mercado local. El costo del agente de acoplamiento (Licocene®) se obtuvo por proforma.

61

El aserrín es un desecho en las industrias madereras por lo tanto el costo del aserrín es el costo del transporte que se use para el acopio del mismo.

2.5.2. COSTOS DE EQUIPOS Y SERVICIOS AUXILIARES

Los costos de los equipos se obtuvieron de las proformas de los proveedores consultados. Los costos de energía eléctrica y agua se determinaron a partir de las tarifas establecidas por el Distrito Metropolitano de Quito para zonas industriales.

62

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1.

CARACTERIZACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS

3.1.1. POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD RECICLADO

3.1.1.1.

Caracterización estructural

Densidad

En la Tabla 3.1 se presenta el valor de la densidad del polietileno reciclado obtenida, la cual se encuentra dentro del rango para polietileno de alta densidad que propone Peacook (2000).

Tabla 3.1 Densidad del polietileno de alta densidad reciclado según la norma ASTM D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión PEADR

Densidad

Temperatura

[g/cm3]

[°C]

0,9558 + 0,0103

20

Este resultado es el primer indicio de tratar con un polietileno de alta densidad, se debe tener presente que el material al ser reciclado está dentro de un proceso degradativo, adicional a esto la densidad del material se ve influenciada por la adición de pigmentos, cargas y aditivos, que son usados generalmente para el procesado de polímeros, por esto, este parámetro no es determinante para la caracterización, pues la densidad obtenida es la consecuencia de la variación en la estructura molecular del material, debido a su uso y al procesamiento al que ha sido sometido.

63

Espectroscopía de infrarrojo por transformadas de fourier FTIR

Para caracterizar el polietileno de alta densidad reciclado, se separó en tres colores la granza obtenida de la molienda de las jabas de cerveza, en la Figura 3.1 se aprecia las tres tonalidades existentes.

Figura 3.1 Clasificación por colores del polietileno existentes en el material reciclado El polietileno de alta densidad presenta bandas características entre 3 030 – 2 920 cm -1, 1 470 – 1 380 cm -1, 730 -720 cm -1, para confirmar la presencia de polietileno de alta densidad debe existir una banda a 1 368 cm

-1

(Naranjo &

Noriega, 2008, p. 17). En la Figura 3.2 se aprecian los espectros pertenecientes a las tres muestra sobrepuestas con un estándar de polietileno de alta densidad, en esta figura se

64

puede ver la presencia de bandas a 2 916,65, 1 472,68, 1 463,30, 730,31, 719,76 cm-1, que son características de la presencia de polietileno, el espectrograma presenta una banda a 1 367,89 cm-1 que indica la presencia de polietileno de alta densidad.

Figura 3.2 Espectros del polietileno reciclado de las tres muestras sobrepuesto un espectro estándar de polietileno de alta densidad Los espectrogramas de las tres muestras superpuestas al estándar de polietileno de alta densidad, confirman la naturaleza del polímero reciclado y lo definen como polietileno de alta densidad. En la Figura 3.3 se encuentran superpuestos los espectrogramas de las tres muestras junto con un estándar de polipropileno para analizar la inexistencia de polímeros contaminantes.

65

Date: 27/12/2000

100.0 90 80 1368.49

70 60 %T 50 40 30 20

1375.81

10 3.1 4000. 0

3600

3200

2800

2400

2000

1800 cm-1

1600

1400

1200

1000

800

600

450.0

DC-OTI0022-2014 2pehdamarillo.003 DC-OTI0022-2014 3pehdtomate.003 29/10/2000 DC-OTI0022-2014 4pehdrojo.003 30/10/2000 Stand PP.sp - 27/12/2000 - AP0065 POLYPROPYLENE, ISOTACTIC

Figura 3.3 Espectros del polietileno de alta densidad reciclado por colores sobrepuesto un espectro estándar de polipropileno. Se verificó la inexistencia de polietileno de baja densidad, descartando la presencia de una banda en 1 376 cm-1 en las tres muestras. Para descartar la presencia de polipropileno se sobrepuso un espectro estándar de este; se confirmó que la banda característica del polipropileno que según Naranjo (2008) está en 1 380 cm-1; en las muestras estudiadas no está presente. En la Figura 3.4 se observa la ampliación del espectro entre los 1 400 y 1 280 cm-1 , zona en la que se encuentra la banda característica del polipropileno isostáctico como se puede ver en el estándar sobrepuesto al espectro de las muestras, en el cual se aprecia que las tres muestras no presentan un pico en esta zona, confirmándose una vez más la inexistencia de contaminantes de polipropileno.

66

Figura 3.4 Espectro ampliado del polietileno reciclado sobrepuesto al polipropileno isotáctico En la Figura 3.5 se muestra la ampliación del espectro entre 1 880 y 1 580 cm-1 en esta zona según Albano (2003) se encuentran los grupos carbonilos, mientras más acentuada es la banda, existe un mayor grado de degradación del material

Figura 3.5 Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los grupos carbonilos entre 1 880 y 1 580 cm-1

67

Cada una de las muestras presenta bandas de carbonilo diferentes, siendo la banda de la muestra de color rojo la menos acentuada y la banda de la muestra de color amarillo la más acentuada. El polietileno de las jabas recicladas presenta diferentes niveles de degradación, debido a la procedencia de cada una de las jabas y al servicio que prestaron en su vida útil, esto generó una degradación que se refleja en la presencia de las bandas de carbonilo en el espectro. Es preciso anotar que la empresa “Cerveceria Nacional” entrega estas jabas para su reprocesamiento, esto podría generar la variación de colores pues en el reproceso se pudo añadir pigmentos y aditivos para mejorar las propiedades. En la Figura 3.6 se amplió el espectro entre 1 020 y 886,2 cm-1, para analizar la presencia de grupos vinílicos a los 990 o 910 cm-1, esto es un indicativo del método de obtención del polímero (Karlsson, 2004) en el espectro se puede ver la existencia de bandas a los 908,47 cm-1, esto sugiere la utilización del método de obtención Phillips, en el cual las terminaciones de las cadenas son grupos vinílicos y metilos obteniendo polietileno de alta densidad con un alto peso molecular. Los grupos vinílicos también son un indicativo de la reticulación del polímero y de la formación de ramificaciones de cadena larga lo cual indica la presencia de un proceso degradativo (Albano & Perera, 2003, p. 139). Date: 27/12/2000

989.14 908.49

%T

987.83

908.49 989.79

1026.5 1020

1010

1000

990

980

970

960

950

940

930

920

910

900

886.2

cm-1

DC-OTI0022-2014 2pehdamarillo.003 - 29/10/2000 DC-OTI0022-2014 3pehdtomate.003 - 29/10/2000 DC-OTI0022-2014 4pehdrojo.003 - 30/10/2000

Figura 3.6 Espectro ampliado del polietileno de alta densidad reciclado en la zona de los grupos vinílicos entre 1 020 y 886,2 cm-1

68

Según los resultados obtenidos por medio de espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier el polietileno de color amarillo presenta un grado mayor de degradación que la de las otras dos muestras, que presentan un color más sólido, esto puede deberse a la procedencia del material y que cada jaba presenta diferentes grados de degradación, se sospecha la presencia de material reciclado para la elaboración de las jabas. Calorimetría diferencial de barrido DSC

Por medio de los termogramas de las tres muestras del polietileno reciclado se determinó las temperaturas de fusión en cada caso. Con la calorimetría diferencial de barrido se confirma que no existe otro material contaminante pues se obtiene un solo punto de fusión en los termogramas, esto junto con el análisis del espectro infrarrojo confirma la inexistencia de contaminantes poliméricos. Según bibliografía para un polietileno de alta densidad la temperatura de fusión se encuentra en un rango de 130 -135 °C (Naranjo & Noriega, 2008, p. 52). En las Figuras 3.7, 3.8 y 3.9 se indican las temperaturas de fusión para las muestras, estos datos están fuera del rango indicado para el PEAD. Según la literatura consultada esto puede deberse a la procedencia del polímero y su método de obtención y procesamiento, según Chanda y Roy, una temperatura de fusión superior a la normal indica un peso molecular alto del polietileno de alta densidad. Las temperaturas de fusión de las tres muestras se encuentran entre 137.2-141.2 °C, esto sugiere la presencia de polietileno de alto peso molecular, se sabe que para procesar polietileno de alto peso molecular se realizan mezclas con polietileno de alta densidad, facilitando así su procesamiento (Chanda & Roy, 2007, p. 47), los valores de temperatura obtenidos, al estar fuera del rango de un polietileno de alta densidad, sugieren la presencia de una mezcla de polietileno de alto peso molecular con PEAD en su procesamiento primario y su temperatura de fusión es el resultado de la mezcla de estos dos .

69

Figura 3.7 Termograma del polietileno reciclado de color amarillo

Figura 3.8 Termograma del polietileno reciclado de color tomate

Figura 3.9 Termograma del polietileno reciclado de color rojo

70

Los datos obtenidos en los termogramas sugieren que la temperatura de fusión del polietileno de alta densidad reciclado considerada para el proceso de mezcla debe ser 140 °C, ya que el material que se utilizó es una mezcla de los tres colores de polietileno encontrados los cuales presentan diferentes puntos de fusión. Con esto se aseguró la fusión del material reciclado. Termogravimetría

Por medio del análisis termogravimétrico se determinó la temperatura máxima a la cual puede ser sometido el polímero, que es de 402,48 °C como se puede ver en la Figura 3.10. En este análisis se puede ver una solo pérdida de peso significativa a los 402,48 °C, en el cual se pierde 98,14 % del peso, siendo esto un indicativo del proceso de descomposición térmica que sufre el polímero, este paso termina a los 538,13 °C.

Figura 3.10 Termogravimetría del polietileno de alta densidad reciclado.

71

Esta pérdida de peso significativa a los 402.48 °C sugiere una degradación térmica del material reciclado, esto determinó que la temperatura máxima de procesamiento esté por debajo de la obtenida en el termograma, para asegurar que el polietileno reciclado no pierda sus propiedades por la degradación térmica.

3.1.1.2.

Determinación de la procesabilidad

Índice de fluidez

En la Tabla 3.2 se aprecia que el índice de fluidez del polietileno reciclado es de 5,369 g/10min, pero al reprocesarlo en el mezclador interno este índice de fluidez aumenta, esto según bibliografía puede deberse a un mecanismo de degradación debido al corte de cadenas que se da por la temperatura, la oxidación y la fuerza de cizalla aplicada en el reprocesado (De Abreu & Osswald, 2014).

Tabla 3.2 Valores del índice de fluidez del polietileno de alta densidad reciclado sin pasar por el reómetro y después de haber pasado por el reómetro por tres ocasiones. Reciclado

Numero

MFI

de

[g/10min]

procesos PADR

0

5,3691 + 0,0851

PADRMIX1

1

5,5624 + 0,0652

PEADRMIX2

2

5,9912 + 0,1507

PEADRMIX3

3

6,5726 + 0,0149

El índice de fluidez permitió establecer cualitativamente la presencia del proceso degradativo. Se debe tomar en cuenta el manejo que tuvo el material antes de su reciclaje. Las jabas al estar sometidas a factores químicos y mecánicos que generan degradación como la radiación UV, agentes oxidantes, líquidos, apilamiento de jabas, almacenamiento a la intemperie entre otros, han favorecido a la degradación del material en el reproceso.

72

En la Figura 3.11 se puede apreciar el porcentaje en que el índice de fluidez fue aumentando en cada uno de los reprocesos con respecto al índice de fluidez inicial del polietileno de alta densidad reciclado.

Ϯϱ͕ϬϬй

йĂƵŵĞŶƚŽD&/΀ŐͬϭϬŵŝŶ΁

ϮϮ͕ϰϭй ϮϬ͕ϬϬй

ϭϱ͕ϬϬй ϭϭ͕ϱϵй ϭϬ͕ϬϬй

ϱ͕ϬϬй ϯ͕ϱϵй Ϭ͕ϬϬй

Ϭ͕ϬϬй Ϭ

ϭ

Ϯ

ϯ

ϰ

EƷŵĞƌŽĚĞƌĞƉƌŽĐĞƐŽƐĞŶĞůƌĞŽŵĞƚƌŽ

Figura 3.11 Porcentaje del aumento del índice de fluidez del polietileno reciclado pasado por el reómetro en tres ocasiones

Este porcentaje de aumento del índice de fluidez en cada reproceso confirma el ciclo degradativo al que es sometido el polietileno de alta densidad reciclado, se debe tener en cuenta que el grado de degradación presente ya en el material favorecer el aumento de este resultado. Densidad aparente

Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.3 se aprecia que es el 48 % de la densidad real; según Beltrán y Marcilla (2012) esto indica que el material al moverse hacia abajo para la dosificación por acción de su propio peso, disminuirá el efecto de puenteo, facilitando la dosificación del mismo.

73

Tabla 3.3 Densidad aparente del polietileno de alta densidad reciclado según la norma ASTM D1895-96 Peso

Volumen 3

Densidad

(g)

(cm )

(g/cm3)

27,11

59

0,45

26,42

57

0,46

25,22

53

0,47

25,63

54

0,47

22,9

53

0,43

25,19

54

0,46

24,3

54

0,45

22,8

51

0,44

Densidad promedio (g/cm3) Desviación estándar

0,45 0,01

3.1.2. PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS

3.1.2.1. Humedad inicial

Para la fabricación del WPC según Ayrilmis (2012) el aserrín debe contener un grado de humedad entre 0-1 %, se determinó gravimétricamente el contenido de humedad inicial presente en el aserrín a utilizarse, este valor fue de 6,9436 + 0,0881 % Esto se debe a que el aserrín es altamente higroscópico y al almacenarlo al ambiente absorbe la humedad del medio. Este resultado indica que el aserrín antes de ser utilizado debe ser sometido a un secado previo para alcanzar el grado de humedad requerido.

74

3.1.2.2. Curva de hidratación

El aserrín alcanzó el peso constante después del secado en la estufa a 100 °C por 4 h, para saber el tiempo en el que el aserrín vuelve a hidratarse se realizaron curvas de hidratación, esto facilitó el manejo del aserrín antes de ser alimentado, en la Figura 3.12 se observa el proceso de hidratación del aserrín en el tiempo, este al inicio aumenta su contenido de humedad en mayor cantidad, hasta llegar a un punto donde el contenido de humedad tiende a ser constante pasadas las 20 h.

ϴ͕ϬϬй ϳ͕ϬϬй

WŽƌĐĞŶƚĂũĞĚĞ,ƵŵĞĚĂĚ

ϲ͕ϬϬй ϱ͕ϬϬй ŶƐĂLJŽϮ

ϰ͕ϬϬй

ŶƐĂLJŽϭ ϯ͕ϬϬй

ŶƐĂLJŽϯ

Ϯ͕ϬϬй ϭ͕ϬϬй Ϭ͕ϬϬй Ϭ

ϭϬ

ϮϬ

ϯϬ

ϰϬ

ϱϬ

ϲϬ

ϳϬ

ϴϬ

dŝĞŵƉŽ΀Ś΁

Figura 3.12 Curvas de hidratación del aserrín seco durante 72 h De este análisis se ha determinado que el tiempo de alimentación del aserrín al ambiente no debe ser mayor a 20 min ya que pasado este tiempo el contenido de humedad supera lo requerido.

75

3.1.2.3. Contenido de cenizas

Debido al modo de manejo del aserrín en los aserraderos este tiene contacto con varios

contaminantes,

el

contenido

de

cenizas

en

el

aserrín

es

del

6,7418 + 0,0036 %, este valor refleja la cantidad de contaminantes presentes en el aserrín que ingresa al proceso, los mismos que pueden ser soportados por la matriz como relleno pero si este valor aumenta representará un problema para el procesamiento puesto que al ingresar en la mezcla disminuirá las propiedades en la unión polietileno aserrín.

3.1.2.4. Densidad aparente

Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.4 podemos ver que este valor es de 0,21 g/cm3; según Beltrán y Marcilla (2012) si el valor de la densidad aparente es bajo el material es ligero y se generará problemas al momento en que el material se mueva a la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso, esto indica que el material dará problemas de fluidez al alimentarse en la tolva generando la formación de puente en la garganta de la tolva, para mantener un flujo constante se deberá adicionar agitación.

76

Tabla 3.4 Densidad aparente del aserrín Peso

Volumen 3

Densidad

(g)

(cm )

(g/cm3)

18,95

86

0,22

19,04

87

0,21

19,75

94

0,21

19,61

93

0,21

18,060

84

0,21

18,16

82

0,22

21,31

98

0,21

19,64

94

0,20

Densidad Promedio (g/cm3) Desviación estándar

0,21 0,004

3.1.2.5. Separación por tamaños

En la Tabla 3.5 se detalla la distribución de tamaños para cada uno de los tamices utilizados, según bibliografía se seleccionó un tamaño de partícula menor a 149 µm (Douglas, Murphy, Billham, & McNally, 2004) (Leu, Tsu-Hsien, Lo, & Yang, 2011) que corresponde a un tamiz malla 100 o menor, para favorecer al unión fibra matriz. Para este tamiz, se puede ver qué el porcentaje que pasa por el mismo es del 17,46 %.

77

Tabla 3.5 Peso del aserrín retenido en cada uno de los tamices para determinar los tamaños de partícula Abertura

Abertura

Malla

Peso

Porcentaje

Retenido

Pasado

retenido

retenido

acumulado

acumulado

[mm]

[µm]

[g]

[%]

[%]

[%]

20

0,841

841

5,78

2,890

2,89

97,11

30

0,595

595

24,83

12,41

15,30

84,69

50

0,297

297

73,50

36,75

52,05

47,94

60

0,250

250

24,60

12,30

64,35

35,64

100

0,149

149

36,37

18,18

82,54

17,46

33,50

16,75

99,29

0,71

ERROR

1,42

0,71

100

TOTAL

200

100

-100 PESO INICIAL

200

[g]

En la Figura 3.13 se puede apreciar que el D80 del material que se ha reciclado es de un tamaño de partícula de 560 µm, por lo cual se debe realizar un proceso de molienda del aserrín pues el 80 % del material no cumple con el tamaño de partícula requerido para el procesamiento.

W^KhDh>K΀й΁

ϭϮϬ ϭϬϬ ϴϬ ϲϬ ϰϬ ϮϬ Ϭ ϭϬϬ

ϭϬϬϬ ZdhZ>D>>΀ђŵ΁

Figura 3.13 Determinación del D80 del aserrín distribución granulometría

78

3.1.2.6. Termogravimetría

Por medio de la termogravimetría se determinó la temperatura máxima que puede soportar el aserrín antes de empezar su proceso degradativo, en la Figura 3.14 se puede apreciar que la pérdida de peso se da en cuatro pasos: El primero empieza a los 31,33 °C y dura hasta los 104,81 °C, debido al intervalo de temperaturas en el que se da esta pérdida, se evidencia que el aserrín pierde agua, pues el aserrín es altamente higroscópico, la pérdida de peso es del 2,94 %. En el segundo paso se pierde 24,39 % del peso, la temperatura a la que empieza es de 207,94 °C y termina a los 326,76 °C en esta etapa según Raveendran (1996) se pierde componentes extractables como terpenos, taninos, ácidos grasos, aceites y resinas. En el tercer paso se pierde el 36,933% de peso, desde los 325,49 °C hasta 406,32 °C que refleja la descomposición de la hemicelulosa (Raveendran & Ganesh, 1996). El cuarto desde los 407,94 °C hasta los 918,90 °C, se pierde el 13,60 % de peso que corresponde a la descomposición de la celulosa y la lignina (Manals, Penedo, & Giralt, 2011).

Figura 3.14 Termogravimetría del aserrín reciclado

79

De esta información se define la temperatura de procesamiento del aserrín al momento del mezclado con la matriz, esta debe estar por debajo de los 207,94 °C, para evitar la degradación del componente lignocelulósico, se usó un factor de seguridad de 10%, la temperatura máxima a la que se trabajará será 187,14 °C.

3.1.3. AGENTE DE ACOPLAMIENTO

3.1.3.1. Espectroscopía de Infrarrojo por transformadas de Fourier FTIR

El agente de acoplamiento usado es una cera de polietileno maleizado, por lo tanto en el espectro infrarrojo que se aprecia en la Figura 3.15, se presentan bandas entre 3 030 – 2 920 cm-1, 1 470 – 1 380 cm-1, 730 -720 cm-1 (Naranjo & Noriega, 2008, p. 17) estas bandas son la huella digital del polietileno, adicional a esto se aprecia una banda en 1 375.79 cm-1 que nos indica la presencia de polietileno de baja densidad, esto es normal pues el polietileno de baja densidad en pequeñas concentraciones favorece la fluidez de la mezcla, mejorando el recubrimiento de las partículas de refuerzo con el agente de acoplamiento, favoreciendo la unión fibramatriz.

Date: 24/01/2013

100.0

90 2329.11

80

932.55

3930.87

718.61

3816.60

1711.23

70

60

1375.79 3472.36 1462.05

%T

50

1114.49

40

30

2965.77

20 2915.11 2848.03

10 3.2 4000.0

3600

3200

2800

2400

2000

1800 cm-1

1600

1400

1200

1000

800

DC-OTI0013-2013 Licocene.004 - 22/01/2013

Figura 3.15 Espectro infrarrojo del agente de acoplamiento

650.0

80

La presencia de grupos anhídridos y ácidos carboxílicos se puede ver entre los 1 720 - 1 701 cm-1 (Rojas de Gascue, 2005, p. 390) esto es indicativo de la presencia del anhídrido maleico en el espectrograma de la Figura 3.15 se observa una banda a los 1 711,23 cm-1, con esto se confirma la presencia de la unión polietileno anhídrido maleico, que actuará en la mezcla como agente de acoplamiento.

3.1.3.2. Calorimetría diferencial de barrido DSC

En el termograma que se presenta en la Figura 3.16 se observa que la temperatura de fusión para el agente de acoplamiento es 122,80 °C, esta temperatura es menor que la del polietileno reciclado utilizado para el material compuesto. Al ser un polietileno de baja densidad su temperatura de fusión debería estar entre 105 °C - 115 °C (Naranjo & Noriega, 2002, p. 48), pero al ser una cera de polietileno de alta polaridad, injertada con anhídrido maleico, su temperatura de fusión es diferente a la del polietileno solo, este resultado es cercano al reportado en la hoja técnica de este material que es de 123 °C (Clariant, 2005). Se tomó en cuenta este parámetro al momento de la dosificación en la extrusora ya que en la zona de alimentación el material no debe fundir para poder ser arrastrado eficientemente. Esto condicionó los parámetros de procesamiento del material en la extrusión al momento de la alimentación, manteniendo una temperatura inferior a este punto de fusión para garantizar un buen arrastre del agente de acoplamiento, garantizando la mezcla de todos los componentes en la zona destinada para este proceso.

81

Figura 3.16 Termograma del agente de acoplamiento

3.1.3.3. Termogravimetría

Por medio del análisis termogravimétrico se determinó la temperatura máxima a la que se puede someter al agente de acoplamiento es de 411,62 °C como se puede ver en la Figura 3.17. En el termograma se aprecian dos pasos: El primero empieza a una temperatura de 193,70 °C y termina a los 415,88 °C, en este paso se pierde un 11,98 % del material. En el segundo paso se pierde la mayor parte del peso 87,32 %, siendo esto un indicativo del proceso de descomposición térmica que se sufre agente de acoplamiento, este paso empieza a los 408,72 °C y termina a los 516,81 °C. El agente de acoplamiento presenta una pérdida de peso a los 193,70 °C, que indica que el material ha perdido algún componente, que afectara su estructura por esto se trabajó a una temperatura inferior a esta para precautelar cualquier tipo de degradación del agente de acoplamiento.

82

Figura 3.17 Termogravimetría del agente de acoplamiento Al tener caracterizado las tres materias primas y conocer sus temperaturas de degradación se seleccionó la temperatura máxima del proceso que es de 187,146 °C seleccionada para evitar la degradación del componente lignocelulósico y la del agente de acoplamiento.

3.2. EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE RECEPCIÓN QUE PRESENTA EL POLIETILENO RECICLADO AL ADICIONAR PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS. 3.2.1. MEZCLADO

Las mezclas se realizaron en un reómetro de torque electrónico, dentro de este la dispersión del material de relleno en la matriz polimérica dependió directamente del tiempo de mezclado, la velocidad del rotor y de la temperatura, para establecer que la mezcla esté homogénea se analizó los reogramas que entrega el equipo, para el

83

análisis se tomó los reogramas del polietileno solo, de la mezcla al 5 %, al 15 %, al 45 % de aserrín sin agente de acoplamiento. En la Figura 3.18 se puede ver que al colocar en el reómetro polietileno la cresta de carga esta alrededor de 60 Nm, que es el mayor valor obtenido con respecto a los otros reogramas, este pico de carga dependerá de la cantidad de material que ingrese al mezclador, de la rapidez con la que se alimente y del cerrado de la cámara. Este pico de alimentación variará según las condiciones ya mencionadas.

Figura 3.18 Reograma del polietileno reciclado pasado por el reómetro Al no presentar ninguna carga, el polietileno en el reómetro tiende a llegar a la zona de estabilidad rápidamente. En la Figura 3.19 que hace referencia a la mezcla al 5 % de aserrín en la cual se aprecia que la estabilidad del polietileno solo, se alcanza a los 2,5 min en este tiempo se aprecia una curva que indica que se abrió la cámara y a continuación una cresta de carga del aserrín. La estabilidad se alcanza alrededor de los 7 min con un torque de 5 Nm.

84

Figura 3.19 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 % Se puede ver que el adicionar 5 % de aserrín no representa una variación del torque significativa, puesto que es el mismo valor que si el polímero estuviera sin aserrín. En la Figura 3.20 se aprecia que el torque aumenta al momento de adicionar 15 % de aserrín alcanzando 7 Nm. Esto indica que la cantidad de aserrín introducida afecta a las propiedades de la mezcla en su flujo de elongación como en su flujo cortante, se aprecia que la línea en el valle de estabilidad presenta interferencia, no es continua, esto indica que los rotores registran una resistencia al giro.

Figura 3.20 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 % En la figura 3.21 se muestra la mezcla al 45 % de aserrín, se aprecia en el reograma que esta dosificación necesita más fuerza en el giro ya que el material presenta

85

mayor dificultad para el mezclado, pues la matriz ya no presenta la fluidez requerida para soportar al material de relleno, la interferencia en la línea en el valle de estabilidad es mayor a la del aserrín al 15 %.

Figura 3.21 Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 % Los reogramas de las otras dosificaciones tienden a presentar la tendencia de los reogramas descritos, aumentando el torque y la interferencia de la línea de estabilidad a medida que aumenta la cantidad de aserrín.

3.2.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES

3.2.2.1. Determinación de la dispersión

Se evaluó características detectables visualmente como la degradación de las partículas lignocelulósicas, el cambio de color, fijación a la matriz, homogeneidad en la dispersión del aserrín en la placa. En la figura 3.22 se observa las placas en orden creciente de la cantidad de aserrín introducida en la matriz, se aprecia que las partículas lignocelulósicas no presentan degradación o cambio de color, a medida que la cantidad de aserrín en la matriz aumenta el color de la mezcla resultante se torna más obscuro debido a la concentración de las partículas de aserrín, en general gracias al método de

86

procesamiento de la mezcla se obtiene un producto homogéneo, con un mezclado dispersivo y distributivo eficiente.

Figura 3.22 Placas de las muestras a diferentes concentraciones de aserrín sin adicionar agente de acoplamiento En la Figura 3.23 se puede apreciar que no existe una mala distribución, se confirma que el tipo de mezclado utilizado es eficiente, proporcionando un mezclado distributivo y dispersivo eficaz, se aprecia que las partículas lignocelulósicas se encuentran distribuidas uniformemente en toda la probeta en los tres casos.

87

5mm

5mm

Aserrín al 5%

Aserrín al 15 %

Aserrín al 45 %

Figura 3.23 Probetas de las muestras a contra luz en el negatoscopio al 5 %, 15 % y 45 % de aserrín

3.2.2.2. Ensayos mecánicos Para cada concentración se realizó el ensayo en 5 probetas los resultados que se presentan a continuación son el promedio de las mismas.

88

Ensayo de tracción

En la Figura 3.24 se muestran los resultados del esfuerzo al pico y el esfuerzo a la ruptura. Para el polietileno sin carga el esfuerzo al pico y el esfuerzo a la ruptura presenta valores diferentes, esto se debe a la elongación que presenta el polietileno solo, que determina un valor de carga para el esfuerzo al pico y posterior a esto una zona plástica en la que se registra el esfuerzo a la ruptura.

ƐĨƵĞƌnjŽĂůƉŝĐŽ;DWĂͿ

ƐĨƵĞƌnjŽĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;DWĂͿ

ϯϱ ϯϬ

^&hZK΀DW΁

Ϯϱ ϮϬ ϭϱ ϭϬ ϱ Ϭ Ϭ

ϱ

ϭϬ

ϭϱ

ϮϬ

Ϯϱ

ϯϬ

ϯϱ

ϰϬ

ϰϱ

ϱϬ

й΀^ZZ/E΁

Figura 3.24 Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración del aserrín Al adicionar las partículas lignocelulósicas, el esfuerzo al pico y el esfuerzo a la ruptura toman el mismo valor, ya que el material se vuelve rígido y ya no existe una elongación en la zona plástica. Se aprecia que al adicionar 5 % de aserrín este genera un refuerzo en el polietileno reciclado e incrementa en un 19,45 % el esfuerzo requerido con respecto al esfuerzo al pico, a partir de este punto se aprecia una tendencia a disminuir el valor del esfuerzo. El objetivo de este análisis es determinar la cantidad de aserrín que se pueda incorporar a un polietileno reciclado antes de que sus propiedades se vean

89

afectadas críticamente, por esto en la Figura 3.24 se aprecia que el valor de esfuerzo al pico de la mezcla, que más se acerca al valor del polietileno reciclado es al 15 % de concentración de aserrín. En la Figura 3.25 se puede ver que el porcentaje de deformación decrece a medida que aumenta la concentración de aserrín, se aprecia que para el polietileno la deformación al pico y a la ruptura son diferentes. La deformación a la ruptura del polietileno es de 334,5 %, estos valores se encuentran en el Anexo VII.

Figura 3.25 Deformación al pico y deformación a la ruptura versus concentración del aserrín Al incorporar aserrín al polietileno este pierde significativamente su capacidad de deformación esto se asocia a la incompatibilidad de las fases y a la degradación que presenta el polietileno reciclado al momento de ser sometido al proceso de mezcla, factores que lo vuelven más rígido. Observaciones similares se han reportado por Douglas (2004) y Onuegbu (2012). A medida que se aumenta la concentración del aserrín en la mezcla, la deformación al pico y la deformación a la ruptura disminuyen, a partir del 30 % de aserrín las

90

propiedades mencionadas tienden a mantenerse constantes sin una variación significativa. Los valores de deformación al 5 % y al 10 % no presenta un aumento significativo entre ambos (Análisis de la desviación estándar), por lo tanto se toman estos dos valores como la máxima concentración que soporta la matriz antes de que las propiedades cambien considerablemente, el valor del 15 % de aserrín es el que se selecciona al ser diferente de los dos primeros, y mostrar una tendencia a disminuir dicha propiedad de manera más evidente. En la Figura 3.26 se aprecia como varia el módulo de Young a medida que aumenta la cantidad de aserrín incorporada. La tendencia que presenta es un incremento del valor del módulo al adicionar mayor cantidad de aserrín, esto indica un aumento de la rigidez del material compuesto.

ϴϱϬ ϴϬϬ

DKh>KDW

ϳϱϬ ϳϬϬ ϲϱϬ ϲϬϬ ϱϱϬ LJсϰ͕ϲϴϮϰdžнϱϮϭ͕ϭϯ ZϸсϬ͕ϴϮϯϱ

ϱϬϬ ϰϱϬ ϰϬϬ Ϭ

ϭϬ

ϮϬ

ϯϬ

ϰϬ

ϱϬ

й΀^ZZ/E΁

Figura 3.26 Módulo de Young versus las diferentes concentración de aserrín

Se aprecia que en el intervalo de 5-10 % de aserrín no existe un incremento estadísticamente significativo (Análisis de la desviación estándar), al 15 % el valor del módulo se incrementa, pero en el intervalo de 15-40 % se mantiene estadísticamente constante, en el último punto al adicionar 45 % de aserrín el modulo aumenta nuevamente.

91

De esto se puede concluir que el incremento del contenido de aserrín aporta rigidez al material pero esta rigidez se mantiene en intervalos de concentración cuyos puntos de inicio están a los 5 %, 15 % 45 % de concentración de aserrín. Ensayos de flexión

En la Figura 3.27 se observa el límite elástico que presenta el material compuesto al incrementar su contenido de aserrín. Este parámetro es importante pues indica el pandeo que podría presentar el material en el servicio final. Se observa que el contenido de aserrín al 15 % es el valor más alto alcanzado superando al valor del polietileno solo en un 26,52 % a partir de este punto los valores de desplazamiento a la cedencia empiezan a disminuir Se puede ver que el aumento del desplazamiento a la cedencia a la concentración de 5 % con respecto a la del polietileno solo es del 19,89 %. Se seleccionó la concentración al 15 % pues se busca la mayor concentración con propiedades aceptables.

^W>D/EdK΀DD΁

ĞƐƉůĂnjĂŵŝĞŶƚŽĂĐĞĚĞŶĐŝĂ;ŵŵͿ ϭϭ ϭϬ ϵ ϴ ϳ ϲ ϱ ϰ ϯ Ϯ Ϭ

ϱ

ϭϬ

ϭϱ

ϮϬ

Ϯϱ

ϯϬ

ϯϱ

ϰϬ

ϰϱ

ϱϬ

KEEdZ/ME^ZZ/Eй

Figura 3.27 Límite elástico versus concentración de aserrín

En la Figura 3.28 se puede ver que el módulo de flexión no varía significativamente en el intervalo de 5 a 20 % de concentración de aserrín, pasado este intervalo el

92

valor del módulo aumenta. Esto indica un aumento en la rigidez del material pues el aserrín actúa como relleno haciendo más rígido al material compuesto.

DŽĚƵůŽ;DWĂͿ

>ŝŶĞĂů;DŽĚƵůŽ;DWĂͿͿ

DKh>K&>y/KEDW

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LJсϰϬ͕Ϭϳdžнϲϰ͕ϰϳϰ ZϸсϬ͕ϳϮϯϵ

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ϱϬ

KEEdZ/ME^ZZ/E΀й΁

Figura 3.28 Módulo de flexión versus las diferentes concentración de aserrín Se comparó las propiedades del material obtenido con las del polietileno solo, la mezcla que presentó las mejores propiedades con la mayor concentración de partículas lignocelulósicas incorporadas fue la que contenía el 15 % de aserrín.

3.3. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL AGENTE DE ACOPLAMIENTO. 3.3.1. MEZCLADO En la Figura 3.29 se puede ver el momento en el que se adiciona el agente de acoplamiento al tiempo 4.5, el ingreso del mismo no representa una variación significativa en el torque del polietileno solo. Al adicionar el aserrín al 15 % se vuelve a alcanzar un torque de 7 Nm pero con una línea más uniforme en el valle de estabilidad indicando una mayor fluidez del material.

93

Figura 3.29 Reograma de la mezcla polietileno - aserrín al 15 % con agente de acoplamiento al 1 % Con respecto al reograma al 15 % de la Figura 3.20 donde no se utiliza el agente de acoplamiento, se puede ver que el torque después de agregar el agente de acoplamiento y el aserrín es el mismo, la interferencia en la línea del valle de estabilidad disminuye con el uso del agente de acoplamiento.

3.3.2. EVALUACIÓN DE LAS FORMULACIONES

3.3.2.1. Determinación de la dispersión

En la Figura 3.30 se aprecian las muestras del material compuesto al 15 % de aserrín variando la concentración del agente de acoplamiento del 0,5 al 5 %, se puede ver que el color de las placas es uniforme puesto que la cantidad de aserrín es constante en la composición, el mezclado distributivo y dispersivo es eficiente debido al mezclador utilizado ya que no se ven zonas en las que el material polimérico no se encuentre cubriendo al aserrín, la cantidad de agente de acoplamiento adicionada no afectó las propiedades visuales del material.

94

Figura 3.30 Placas de las muestras de polietileno - aserrín al 15 % con agente de acoplamiento en concentraciones del 0,5 – 5 %. En la Figura 3.31 se observa que el mezclado distributivo y dispersivo es eficiente, se aprecia que las partículas lignocelulósicas se encuentran distribuidas uniformemente en toda la probeta.

5mm

Aserrín al 15 % , 1 % agente de acoplamiento Figura 3.31 Probeta al 15 % de aserrín con 1 % de agente de acoplamiento a contraluz en el negatoscopio.

95

3.3.2.2 Ensayos mecánicos Ensayos de tracción

En la Figura 3.32 se puede apreciar como varía el esfuerzo al pico y a la ruptura del material compuesto, estos dos presentan los mismos valores para cada concentración. Al adicionar el agente de acoplamiento, existe una tendencia a aumentar el esfuerzo hasta llegar al 1 % después de esto las propiedades caen, según Leu (2011) esto se debe a el exceso de agente que en lugar de favorecer el enlace entre las moléculas de polietileno y aserrín, genera interferencias, que impiden la formación de los enlaces.

ƐĨƵĞƌnjŽĂůƉŝĐŽ;DWĂͿ

ƐĨƵĞƌnjŽĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;DWĂͿ

^&hZK;DWͿ

ϯϬ

Ϯϱ

ϮϬ

ϭϱ

ϭϬ Ϭ

ϭ

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ϯ

ϰ

ϱ

ϲ

й΀'EdKW>D/EdK΁

Figura 3.32 Esfuerzo al pico y esfuerzo a la ruptura versus concentración de agente de acoplamiento En la Figura 3.33 se muestra el comportamiento del porcentaje de deformación al incrementar la cantidad de agente de acoplamiento, se aprecia que al 1 % existe la mayor deformación superando a la mezcla sin agente de acoplamiento en un 25,42 % después de esto la deformación decrece. El incremento de la deformación es un indicativo de que la interacción entre el polietileno–agente de acoplamiento-

96

aserrín, se está dando y esto permite que el material compuesto aumente su porcentaje de deformación.

ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶĂůƉŝĐŽ;йͿ

ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ;йͿ

&KZD/ME;йͿ

ϳ ϲ ϱ ϰ ϯ Ϯ Ϭ

ϭ

Ϯ

ϯ

ϰ

ϱ

ϲ

й΀'EdKW>D/EdK΁

Figura 3.33 Deformación al pico y a la ruptura versus concentración de agente de acoplamiento El aumento en el módulo de Young es un indicativo del aumento de la rigidez del material en la Figura 3.34 se puede ver que los valores del módulo de Young no presentan un incremento estadísticamente significativo (Análisis de la desviación estándar), hasta alcanzar un valor de 1,5 % de agente, al 2 % este valor cae indicando que el material tiende a ser menos rígido; esto según Leu (2011) se debe a que en determinadas concentraciones el agente de acoplamiento deja de favorecer la formación de los enlaces entre el polietileno y el aserrín, empezando a actuar como lubricante dentro de la mezcla.

DŽĚƵůŽĚĞzŽƵŶŐ;DWĂͿ ϵϬϬ ;DWͿ

ϴϬϬ ϳϬϬ ϲϬϬ ϱϬϬ ϰϬϬ Ϭ

ϭ

Ϯ

ϯ

ϰ

ϱ

ϲ

й΀'EdKW>D/EdK΁

Figura 3.34 Modulo de Young versus concentración de agente de acoplamiento

97

Ensayos de flexión

En la Figura 3.35 se observa el límite elástico que presenta el material compuesto manteniendo constante el 15 % de aserrín; variando la cantidad de agente de acoplamiento. Se observa que el contenido de agente al 1 % y al 2 % presentan valores cercanos y mayores a los de las otras concentraciones, en este caso el valor que se tomará será el porcentaje menor puesto que el agente de acoplamiento es el limitante por costos y al presentar iguales propiedades tanto al 1 % como al 2 %, el colocar más agente de acoplamiento representa un desperdicio pues se obtiene el mismo resultado.

ĞƐƉůĂnjĂŵŝĞŶƚŽĂĐĞĚĞŶĐŝĂ;ŵŵͿ ϭϯ͕ϬϬϬ ^W>D/EdK΀DD΁

ϭϮ͕ϬϬϬ ϭϭ͕ϰϴϮ ϭϭ͕ϬϬϬ

ϭϭ͕ϰϱϴ

ϭϬ͕ϳϬϳ

ϭϬ͕ϬϬϬ ϵ͕ϱϰϱ ϵ͕ϬϬϬ

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ϴ͕ϬϬϬ ϳ͕ϬϬϬ ϲ͕ϬϬϬ Ϭ

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ϯ

ϯ͕ϱ

ϰ

ϰ͕ϱ

ϱ

ϱ͕ϱ

KEEdZ/ME'EdKW>D/EdKй

Figura 3.35 Límite elástico versus concentración del agente de acoplamiento En la Figura 3.36 se puede ver que el módulo de flexión aumenta al adicionar 0,5 % de agente, con respecto a la muestra que no lo contiene, a partir de esto se observa una disminución del módulo de flexión para mantenerse con valores que no difieren en el intervalo de 1 a 2 % de agente, esto refleja la acción del agente de acoplamiento actuando como lubricante disminuyendo la rigidez del material, pasado este intervalo el valor del módulo aumenta, esto indica un aumento en la

98

rigidez, el agente actúa como relleno haciendo más rígido al material compuesto (Klyosov, 2007, p. 168).

DŽĚƵůŽ;DWĂͿ

DKh>K&>y/KEDW

ϭϰϬϬ ϭϮϬϬ ϭϬϬϬ ϴϬϬ ϲϬϬ ϰϬϬ ϮϬϬ Ϭ

Ϭ͕ϱ

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Ϯ͕ϱ

ϯ

ϯ͕ϱ

ϰ

ϰ͕ϱ

ϱ

ϱ͕ϱ

KEEdZ/ME'EdKW>D/EdK΀й΁

Figura 3.36 Modulo de Young de la mezcla a una concentración del 15 % de aserrín variando el contenido de agente de acoplamiento Con los resultados de las diferentes mezclas se evaluó la variación de las distintas propiedades y se determinó que el porcentaje de agente de acoplamiento que ha permitido un aumento en las propiedades mecánicas del material es al 1% ya que antes de este valor el agente no presenta una mejora significativa de las propiedades, Leu (2011) sugiere que en cierto punto el agente de acoplamiento deja de cumplir su función pasando a actuar como lubricante y posterior a esto como una carga que compromete las propiedades del material compuesto.

3.4. ACTIVACIÓN DEL ASERRÍN

Para favorecer la unión aserrín - agente de acoplamiento - polietileno se realizó la activación del aserrín por el método alcalino sugerido por Cui (2008). En la Tabla 3.6 se observa los valores de la mezcla al activar el aserrín y los valores de la mezcla sin el aserrín activado.

99

Tabla 3.6 Valores del ensayo de tracción realizado a la mezcla al 15 % de aserrín activado con 1 % de agente de acoplamiento. Agente de acoplamiento al 1 % Aserrín sin activar

Aserrín activado

5,96 + 0,563

5,73 + 0,77

5,96 + 0,563

5,73 + 0,77

27,31 + 0,993

27,25 + 1,15

27,31 + 0,993

27,25 + 1,15

673,86 + 25,334

669,74 + 61,04

Deformación al pico (%) Deformación a la ruptura (%) Esfuerzo al pico (MPa) Esfuerzo a la ruptura (MPa) Módulo de Young (MPa)

Se puede ver que la activación por el método alcalino no representa una mejora significativa en las propiedades del material compuesto formulado.

3.5. ENSAYOS DE DUREZA Y DENSIDAD DE LOS MATERIALES FINALES OBTENIDOS 3.5.1. ENSAYOS DE DUREZA

El ensayo de dureza se realizó a las muestras finales, es decir, a las que contienen 15 % de aserrín sin agente de acoplamiento y 15 % de aserrín con agente de acoplamiento al 1 %, para comparar la dureza que presentan con la del polietileno reciclado. Se puede ver en la Tabla 3.7 que la dureza del material compuesto es mayor que la del polietileno reciclado, esto se debe a la adición del aserrín como refuerzo que confiere al material mayor dureza superficial.

100

Tabla 3.7 Valores de dureza del polietileno reciclado y de las mezclas finales. Dureza Shore D Polietileno de alta densidad reciclado Material compuesto 15 % aserrín

61,5 + 1,08

66,2 + 1,68

Material compuesto 15 % aserrín 1% agente de

66,6 + 1,17

acoplamiento

Se aprecia también que la adición del agente de acoplamiento no afecta la dureza del material, ya que los valores de dureza del material compuesto al 15 % de aserrín con agente de acoplamiento y sin agente de acoplamiento presenta valores cercanos.

3.5.2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL MATERIAL COMPUESTO FINAL En la Tabla 3.8 se aprecia la densidad de la dosificación seleccionada, que posee 15 % de aserrín y 1 % de agente de acoplamiento, junto con la del polietileno de alta densidad reciclado. La densidad del material compuesto está influenciada por el tamaño de partícula, la cantidad que se adiciona del material de refuerzo y por el agente de acoplamiento, según Oksman (2008) el aumento de la densidad del material compuesto respecto a la del polietileno reciclado se debe a la dispersión eficiente de las partículas en la matriz, esto genera que las partículas del material lignocelulósico estén cubiertas por el polietileno ocasionando el aumento de la densidad.

101

Tabla 3.8 Densidad del material compuesto según la norma ASTM D792 – 08 con agua destilada como liquido de inmersión

Mezcla Polietileno de alta densidad reciclado

Densidad

Temperatura

[g/cm3]

[°C]

1,0086 + 0,0027

19

0,9558 + 0,0103

20

3.5.3. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE DEL MATERIAL COMPUESTO FINAL Con respecto a la densidad aparente en la Tabla 3.9 podemos ver que es el 43% de la densidad real; según Beltrán y Marcilla (2012) esto indica que el material no dará problemas en la dosificación al alimentarse en la tolva.

Tabla 3.9 Densidad aparente del material compuesto según la norma ASTM D1895-96 Peso

Volumen

Densidad

(g)

(cm3)

(g/cm3)

28,36

54

0,52

26,73

50

0,53

29,31

54

0,54

28,71

53

0,54

29,1

54

0,53

27,79

52

0,53

29,4

54

0,54

28,37

53

0,53

Densidad promedio (g/cm3) Desviación estándar

0,53 0,006

102

3.6. DISEÑO DE UNA PLANTA A ESCALA PILOTO DE GRANZA DE MADERA PLÁSTICA. 3.6.1. INGENIERÍA CONCEPTUAL

3.6.1.1. Definición del producto

Para el diseño de la planta piloto de madera plástica se estimó una producción diaria de 20 sacos de 25 kg de granza de material compuesto, la composición del material producido se indica en la Tabla 3.10.

Tabla 3.10 Porcentaje de los componentes del WPC producido Material

Porcentaje

Harina de madera < 100 µm

15 %

Agente de acoplamiento PE MA 4153

1%

Polietileno de alta densidad reciclado

84 %

Inicialmente solo se ha considerado el procesamiento de una sola dosificación, en el futuro la planta podría incrementar su producción de material y empezar a fabricar madera plástica en diferentes dosificaciones según la aplicación que se quiera dar al material.

3.6.1.2. Campo de aplicación

El producto obtenido podrá ser usado en: •

Perfiles extruidos

•

Recubrimiento de superficies

103

3.6.1.3. Capacidad y localización

Según los datos del informe mensual de La empresa pública metropolita de gestión integral de residuos sólidos EMGIRS-EP (2014), la zona norte del Distrito metropolitano de Quito, genera en promedio de 1 015,72 t de basura al día que se recolectan en la estación de transferencia Norte, en octubre el 2013 EMGIRS-EP realizó una “Consultoría para la caracterización de residuos sólidos urbanos receptados en las estaciones de transferencia norte y sur del distrito metropolitano de Quito” de este informe se conoce que el 15,5 % de los residuos son plásticos que se reciclan en un 12 %, de esto el 2,424 % es plástico de alta densidad a partir de esta información se seleccionó la capacidad de producción de la planta a escala piloto de 0,5 t/día de madera plástica cuya composición se indica en la Tabla 3.11, los cálculos se adjuntan en el Anexo IV.

Tabla 3.11 Composición de la madera plástica producida. Componente

Porcentaje

Polietileno de alta densidad

84 %

reciclado Aserrín

15 %

Agente de acoplamiento

1%

(Licocene®) Total

100 %

Como se observa en la Figura 3.37 la planta se ubica en el sector de la Cristiania en la calle de los Aceitunos, a 300 m de la avenida Eloy Alfaro, este lugar ha sido escogido debido a la cercanía con la Estación de Transferencia Norte de residuos, que será el principal proveedor de material reciclado y a Consertec que es una empresa que produce muebles de madera a gran escala que será uno de los proveedores del aserrín que se utilizará. El terreno tiene una clasificación I-3 según

104

la ordenanza de zonificación 0031 del Distrito Metropolitano de Quito esta clasificación lo cataloga como terreno industrial de alto impacto.

Figura 3.37 Ubicación de la planta piloto de granza de madera plástica (Google, 2014) El terreno cuenta con 1 500 m2, cuenta con servicios básicos industriales, agua, luz, teléfono e internet. Las vías de acceso son buenas por encontrarse dentro del Distrito Metropolitano, esta zona es catalogada como industrial y a pocos metros de la Av. Eloy Alfaro, es de fácil acceso a proveedores de materia prima y trabajadores.

3.6.2. INGENIERÍA BÁSICA

3.6.2.1. Selección del proceso de mezcla Para la selección del proceso tecnológico se tomó en cuenta la caracterización de las materias primas, que permitió determinar los pasos a seguir en el proceso. Los parámetros más importantes fueron: •

El tamaño de partícula del aserrín: menor a 140 µm, al tener un D80 del aserrín de 595 µm, se determinó un proceso de molienda para obtener el tamaño de partícula requerido.

105

•

La humedad del aserrín: debe ser menor al 1%, el aserrín con el que se trabaja posee 6,94 % de humedad, requiriendo un proceso de secado.

•

Temperatura máxima de procesamiento de la mezcla de 180 °C, para evitar degradación en el material lignocelulósico.

•

Se dosificará el polietileno con el agente de acoplamiento en una primera instancia, posterior a esto se mezclará el aserrín con la unión del polietilenoagente de acoplamiento, para mejorar la unión y la dispersión debido a la diferencia de índice de fluidez que presenta el agente de acoplamiento y el polietileno.

En la Figura 3.38 se describe el proceso de mezcla que se llevará a cabo para la obtención de la mezcla.

Figura 3.38 Diagrama del proceso de mezcla de las materias primas de la madera plástica

106

3.6.2.2. Descripción del proceso

La planta de producción de madera plástica operará de manera continua, manteniendo la dosificación de los componentes constante durante todo el proceso. El proceso empezará con la recepción de las materias primas: •

Polietileno de alta densidad reciclado en forma de pellets

•

Agente de acoplamiento

•

Aserrín

La primera parte del proceso se realizará en la extrusora EX – 201, en la cual se alimentará de forma manual el polietileno, en la tolva T – 101 y el agente de acoplamiento en la tolva T -102 las dos corrientes seran transportadas por los husillos corrotantes para ser fundidas y mezcladas. De la extrusora EX – 201 se obtendrá cuatro perfiles extruidos tipo tallarín de la mezcla polietileno-agente de acoplamiento, que ingresan en el tanque de enfriamiento TE-202 del cual pasaran al secador de aire SE-203 y posterior a esto al peletizador PE-204. El material peletizado (polietileno-agente de acoplamiento) será transportado de manera manual a la tolva T-104. Paralelo a lo anterior, se ingresará el aserrín al molino M-301 donde se reducirá su tamaño hasta 148 µm para luego ser secado en el secador rotatorio SER-302 hasta alcanzar una humedad menor al 1 %. El aserrín será alimentado manualmente a la tolva T-105 para continuar con el proceso de mezcla del polietileno-agente de acoplamiento y del aserrín en la extrusora EX – 501, las dos corrientes serán transportadas por los husillos corrotantes para ser fundidas y mezcladas. De la extrusora EX – 501 se obtendrá cuatro perfiles extruidos tipo tallarín de la mezcla polietileno-agente de acoplamiento-aserrín, que ingresan en el tanque de enfriamiento TE-502 del cual pasarán al secador de aire SE-503 y posterior a esto al peletizador PE-504, el material peletizado será alimentado a una banda transportadora para ser dosificados en la ensacadora semimanual BP-505 en sacos de 25 kg que serán almacenados en la bodega de producto terminado para su comercialización.

107

3.6.2.3. Flujos másicos de las materias primas

Los flujos másicos del polietileno de alta densidad reciclado, del aserrín, y del agente de acoplamiento se adjuntan en el Anexo IV junto con los cálculos realizados. En la tabla 3.12 se aprecian los valores de flujos másicos en el proceso.

Tabla 3.12 Flujos másicos del polietileno de alta densidad, aserrín, agente de acoplamiento

Flujo másico Componente [t/día]

[ kg/día]

[ kg/h]

0,420

420

17,500

0,075

75

3,125

0,005

5

0,208

0,500

500

20,833

Polietileno de alta densidad reciclado

Aserrín

Agente de acoplamiento (Licocene®)

Total

En la Tabla 3.13 se indica la cantidad de agua que se eliminará del proceso de secado del aserrín.

108

Tabla 3.13 Flujo másico del agua que sale del secador Cantidad de agua

l/h

l/día

que sale del secador 0,2168 5,2032

3.6.2.4. Consumo energético de la planta

En la tabla 3.14 se presentan los equipos que se utilizaran en la planta con su respectivo gasto energético.

Tabla 3.14 Consumo energético de los equipos utilizados en la planta Horas de

Potencia

funcionamiento

demandada

(h/día)

(kw)

4

24

0,75

2

24

18,3

2

24

45

2

24

0,55

Sistema de vacío

2

24

1,5

Secador de aire

2

24

1,1

Peletizador

2

24

4

Secador rotatorio

1

24

1,5

Molino

1

24

0,75

1

24

3,9

Total día

77,35

Total mes

2320,5

Equipo

Tolvas

Motor del husillo extrusoras Calentamiento extrusoras Bomba de enfriamiento

Banda de pesaje (ensacadora)

Cantidad

Los equipos no trabajarán al 100 % de su capacidad, por lo tanto se debe considerar un factor de corrección del 0,6 con un tiempo de funcionamiento de

24 h.

109

3.6.2.5. Diagramas PFD y BFD

En las figuras 3.39 y 3.40 se muestran los diagramas de bloque (BFD) y de flujo (PFD) para la producción de 20,83 kg/h de madera plástica proveniente de polietileno de alta densidad reciclado.

BFD PLANTA DE MADERA PLÁSTICA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA Nombre del Proyecto: “DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE GRANZA DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE POLIETILENO RECICLADO CON PARTÍCULAS LIGNOCELULÓSICAS (ASERRÍN)”

LÍNEA DE PRODUCCIÓN Elaborado Por: MARÍA VERÓNICA JARA SALME

Paginas: 1 DE1 BFD

Fecha: 13 DE AGOSTO DEL 2015

Figura 3.39 Diagrama de bloques del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicas

110

PFD PLANTA DE MADERA PLÁSTICA

111



$JHQWHGH DFRSODPLHQWR

$6(55Ë1





3($'5

(B



7

(B 

0

 





6(5

7(

(;

6(

3(



ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA Nombre del Proyecto:

7 

“DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE

(B



GRANZA DE MADERA PLÁSTICA A PARTIR DE POLIETILENO RECICLADO CON PARTÍCULAS 

LIGNOCELULÓSICAS (ASERRÍN)” LÍNEA DE PRODUCCIÓN



(;



7(

3( 6(

Elaborado Por:

Paginas:

MARÍA VERÓNICA JARA

1 DE 1

SALME

PFD



Fecha: %3

13 DE AGOSTO DEL 2015

 0DGHUDSOiVWLFD

Figura 3.40 Diagrama de Flujo del proceso de obtención de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

112

Figura 3.41 Plano de distribución Lay Out de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

113

Figura 3.42 Corte frontal y transversal de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos

114

En la tabla 3.15 se aprecian los equipos utilizados en la planta piloto de producción de madera plástica con su respectiva nomenclatura.

Tabla 3.15 Nomenclatura de los equipos utilizados en la planta piloto de producción de madera plástica Equipo

Código

Tolva con PEADR

T-101

Tolva con agente de acoplamiento

T-102

Tolva con aserrín

T-103

Molino de cuchillas

M-301

Secador de aserrín

SER-302

Extrusora polietileno–agente de acoplamiento

EX-201

Baño de enfriamiento

TE-202

Soplador de aire

SE-203

Peletizadora

PE-204

Tolva polietileno-agente de acoplamiento

T-104

Tolva aserrín seco

T-105

Extrusora mezcla final

EX-501

Baño de enfriamiento mezcla final

TE-502

Soplador de aire mezcla final

SE-503

Peletizadora mezcla final

PE-504

Banda de pesaje

BP-505

3.6.2.6. Dimensionamiento y selección de equipos

3.6.2.6.1. Extrusor

El extrusor es el núcleo de la planta, por esto el proceso de selección es importante pues de este dependerá la producción de la planta. En una extrusora de doble husillo la selección se basa en el valor del intereje que es la distancia entre centro a centro de los husillos (Ramos, 2002, p. 144) ya que de este dependerá el

115

engranaje de los dos husillos. En la tabla 3.16 se muestran las características del extrusor seleccionado para la mezcla los cálculos realizados se encuentran en el Anexo IV.

Tabla 3.16 Parámetros del extrusor para el procesamiento del WPC a partir de polietileno reciclado Parámetro

Valor calculado

Diámetro externo del husillo D [mm]

35

Diámetro interno del husillo d [mm]

31,5

Intereje I [mm]

33,25

Relación L/D

42

Relación de compresión Rc

3

La planta utilizará dos extrusoras que poseen los mismos parámetros, para el proceso de mezclado del agente de acoplamiento como para la adición del aserrín. Para la determinación del diámetro se utilizó el método de prueba y error dando varios valores de diámetros dentro del rango especificado por Naranjo (2002) para dimensionamiento de extrusores. La extrusora que se requiere para el procesamiento del WPC es a escala piloto, es una extrusora pequeña por lo tanto, conociendo que el diámetro se relaciona de manera inversamente proporcional con el número de revoluciones del husillo, al aumentar el valor del diámetro disminuye la cantidad de revoluciones, esto genera un aumento en el tamaño del equipo, mientras que si se disminuye el tamaño del husillo, el número de revoluciones aumenta sobrepasando los rangos típicos de un extrusor de las características requeridas, por la tanto la elección del diámetro equipo se centró en los valores de 30 y 35 mm seleccionando el valor de 35 mm pues este valor es cercano a las características de la extrusora usada en el proceso experimental de obtención de la madera plástica en el laboratorio y selección del perfil de temperatura. La selección del ángulo del filete se lo realizo bibliográficamente pues según Morales (2010) y Morton (2003) el ángulo del filete para una extrusora de doble husillo se mantiene alrededor de 10 °.

116

Figura 3.43 Esquema del husillo con el que se determinó los parámetros de selección (Morales Méndez, 2010, p. 247) Las características geométricas del husillo seleccionadas se encuentran dentro de los parámetros sugeridos por Naranjo (2002).

3.6.2.6.2. Evaluación de los parámetros de procesamiento Para establecer las condiciones de procesamiento, se realizaron varias pruebas en la extrusora de doble husillo marca Jiangsu Xinda Science & Technology modelo CLAMSHELL PSHJ-35 calibrando las condiciones de la extrusora, a continuación se presentan los resultados obtenidos:

•

Curvas de calibración:

Para la dosificación del aserrín, polietileno y agente de acoplamiento se construyeron curvas de calibración de la tolva principal y de la secundaria, en la tolva principal se dosificó el polietileno mientras que en la secundaria se dosificó el agente de acoplamiento y el aserrín por separado, según la mezcla que se estaba realizando. En la Figura 3.44 se puede observar la curva de dosificación del polietileno reciclado para un rango de velocidad de dosificación de la tolva principal de 1-6 Hz,

117

obteniendo que con la velocidad de 1 Hz se dosifica 0,937 kg/h y con 6 Hz se dosifica 6,151 kg/h, el requerimiento de dosificación del polietileno es de 17,5 kg/h para determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad de polietileno se debe realizar una extrapolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que se requiere 20,47 Hz para la dosificación del polietileno reciclado. No se realizaron pruebas con estos valores debido a la cantidad limitada de materias primas disponibles para este estudio.

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Figura 3.44 Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para el polietileno de alta densidad reciclado En la Figura 3.45 se puede observar la curva de dosificación del agente de acoplamiento para un rango de velocidad de dosificación de la tolva secundaria de 0,1-1 Hz, obteniendo que con la velocidad de 0,1 Hz se dosifica 0,019 kg/h y con 1 Hz se dosifica 1,135 kg/h, el requerimiento de dosificación es de 0,208 kg/h para determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad se debe realizar una interpolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que se requiere 0,292 Hz para la dosificación del agente de acoplamiento.

118

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Figura 3.45 Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el agente de acoplamiento En la Figura 3.46 se observar la curva de dosificación de la mezcla polietileno agente de acoplamiento para un rango de velocidad de dosificación de la tolva principal de 1-5 Hz, el requerimiento de dosificación es de 17,708 kg/h para determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad se debe realizar una interpolación, con los datos de la curva de calibración, se obtuvo que se requiere 15,774 Hz para la dosificación de la mezcla polietileno - agente de acoplamiento.

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Figura 3.46 Curva de calibración de la tolva principal de la extrusora PSHJ-35 para la mezcla polietileno reciclado con agente de acoplamiento.

119

En la Figura 3.47 se puede observar la curva de dosificación del aserrín para un rango de velocidad de dosificación de la tolva secundaria de 0,5-6 Hz, el requerimiento de dosificación es de 3,125 kg/h para determinar la velocidad de dosificación de esta cantidad se debe realizar una extrapolación, requiriéndose 0,45 Hz para la dosificación del aserrín.

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Figura 3.47 Curva de calibración de la tolva secundaria de la extrusora PSHJ-35 para el aserrín Para cada material el rango de velocidades de la tolva fue diferente puesto que las densidades y tamaños de partícula eran diferentes en los 3 casos. Perfil de temperaturas Se realizaron pruebas en la extrusora, para establecer un perfil de temperaturas de procesamiento de las dos mezclas, las temperaturas se determinaron para las 7 zonas de calentamiento de la extrusora. Para la mezcla polietileno-agente de acoplamiento se determinó que la temperatura de la zona de alimentación debe ser menor de 120 °C puesto que el agente de acoplamiento sobre esta temperatura funde e impide el proceso de arrastre a la siguiente zona, generando problemas en la mezcla y en la dosificación, el resto de temperaturas se mantuvieron iguales para los dos procesos la temperatura máxima

120

de procesamiento se fijó en 180°C puesto que permitía una salida fluida del material facilitando el proceso de enfriamiento, secado y peletizado. En la Figura 3.48 se aprecian los perfiles de temperaturas que se fijaron en la extrusora para los dos procesos. En el proceso de mezcla del polietileno – agente de acoplamiento con el aserrín la temperatura de alimentación fue de 125 °C ya que la temperatura de fusión de la mezcla es mayor y no se presentan problemas en el arrastre del material.

Figura 3.48 Perfil de temperaturas por zonas del husillo Calibración de la extrusora

Para determinar la cantidad de material que sale del extrusor a determinada velocidad se midió la cantidad de material que sale del peletizador en un determinado tiempo, adicional a esto se midió el tiempo de residencia del material dentro del extrusor, en la Figura 3.49 se puede observar que para una velocidad baja del husillo el tiempo de residencia es muy prolongado, esto genera degradación en el material, a medida que la velocidad aumenta el tiempo de residencia disminuye y se puede apreciar que desde 2,6 Hz la variación de los tiempos de residencia es mínima y la cantidad de material obtenido aumenta.

121

La cantidad que se requiere procesar de la mezcla polietileno-agente de acoplamiento es de 17,708 Kg/h para obtener la velocidad del husillo se debe realizar una extrapolación y la velocidad en esta extrusora seria de 10,06 Hz.

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Figura 3.49 Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla polietileno agente de acoplamiento obtenida En la Figura 3.50 se presentan los valores de masa y tiempo de residencia para la mezcla final en este caso se observa que existe un tiempo de residencia mayor que el que presenta la mezcla de polietileno-agente de acoplamiento, esto se debe a la densidad que presenta el aserrín, que dificulta el avance en la mezcla final. La cantidad que se requiere procesar es de 20,833 kg/h según la extrapolación realizada la velocidad del husillo debería estar en 9,86 Hz

122

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Figura 3.50 Calibración y tiempos de residencia en minutos de la mezcla final obtenida

3.7. DETERMINACIÓN LA INVERSIÓN ECONÓMICA REQUERIDA. 3.7.1. COSTOS DE MATERIA PRIMA

En la Tabla 3.17 se muestran los precios referenciales de las materias primas que se van a utilizar.

Tabla 3.17 Precios referenciales de las materias primas utilizadas. Materia prima Pecio ($/kg) PEADr

0,75

Licocene®

11,50

Aserrín

-

Se debe tomar en cuenta que las materias primas son recicladas y no se puede tener un precio oficial ya que su reciclaje en el País es informal, en base a proformas y precios cotizados del mercado nacional e internacional, el valor del kg de polietileno reciclado fluctúa entre $ 0,55 – 0,75 en el Anexo VIII podemos ver las cotización del material. El Licocene® es un material importado que se debe comprar por toneladas.

123

El aserrín es un desecho en las industrias maderera.

3.7.2. COSTOS DE EQUIPOS Y SERVICIOS AUXILIARES

Los costos de los equipos se obtuvieron de las proformas de los proveedores consultados. En la Tabla 3.18 se detallan los precios de los equipos, y el precio total en maquinaria que se requiere para la implementación de la planta.

Tabla 3.18 Precios de los equipos requeridos para la planta de la planta piloto de madera plástica a partir de polietileno reciclado con partículas lignocelulósicos Costo Equipos

Cantidad

unitario ($)

Costo total ($)

Tolvas Extrusora Línea de

Bomba de

extrusión

enfriamiento

2

68 200

136 400

Secador rotatorio

1

5 902

5 902

Molino

1

3 650

3 650

Banda de pesaje (ensacadora)

1

4 500

4 500

Secador de aire Pelletizador

Costo total ($)

150 452

124

3.7.3. GASTOS SERVICIOS BÁSICOS

En la tabla 3.19 se puede ver que el costo mensual de consumo eléctrico es alto, esto se debe a la operación de la planta durante 24 h, este consumo categoriza a la planta en el grupo G5 de consumo según la Empresa Eléctrica Quito, en contraste a esto se puede ver que el consumo de agua es mínimo debido a que el agua se reutiliza en el transcurso del proceso, ya que no existe necesidad de cambiarla diariamente.

Tabla 3.19 Costos de consumo de luz y agua para la planta Servicio básico

Costo mensual ($)

Agua

5,1489

Luz

9 904,72

3.7.4. GASTOS OPERATIVOS

En la tabla 3.20 se aprecia el salario que recibirá un trabajador en la planta diseñada, se trabajará en 3 turnos de 8 h, con dos operarios en turnos rotativos. Se contratará 6 operarios.

Tabla 3.20 Salario de los trabajadores de la planta 6 operarios

Costos ($)

Sueldo básico

354

Aporte al IESS

40,71

Décimo cuarto

354

Décimo tercero

354

Total operario al año

5 444,52

Sueldo mensual

453,71

Gasto mensual 6 operarios

2 722,26

125

3.7.5. COSTO DE PRODUCCIÓN

El costo de producción mensual será de $ 23807,1289 aproximadamente, la planta producirá 20 sacos de WPC de 25 kg cada uno, por día, al mes producirá 600 sacos los cálculos se detallan en el Anexo X. El kilogramo de material costará $ 1,58 y el costo por saco será de $ 39,50

126

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1.

•

CONCLUSIONES

La caracterización del polietileno reciclado es primordial, para su reprocesado, ya que por su uso previo, presenta cambios en su estructura, esto condiciona las propiedades del material compuesto que se va a obtener, pues al adicionar el componente lignocelulósico al polietileno de alta densidad reciclado se favorece la degradación térmica y mecánica debido al proceso de extrusión, aumentando el grado de degradación del material. Las técnicas de caracterización utilizadas en este estudio han permitido determinar las condiciones en las que se encuentra el polietileno de alta densidad reciclado y ajustar los parámetros para disminuir este proceso degradativo.

•

El polietileno que se recicló presenta un proceso degradativo que se refleja en los resultados obtenidos en los espectros infrarrojos, que presentan grupos carbonilos, esto se evidenció en mayor grado en el polietileno de color amarillo que presentó una banda más acentuada.

•

La temperatura de fusión del polietileno reciclado fue obtenida por medio de una calorimetría diferencial de barrido, de los termogramas obtenidos, se concluye que el material reciclado es una mezcla de polietilenos de alta densidad en diferentes grados de degradación. Para asegurar la fusión se tomó el valor más alto de punto de fusión 140 °C que corresponde al polietileno de color amarillo. Adicional a esto por espectroscopía de infrarrojo se concluye que el polietileno de alta densidad que se reciclo no presenta ningún tipo de contaminante, ya sea polietileno de baja densidad o polipropileno.

•

De la determinación de la procesabilidad del polietileno reciclado se estableció que el índice de fluidez es de 5,3691 g/10 min, al reprocesarlo por 3 ocasiones

127

en el mezclador interno este aumenta, esto sugiere un corte de cadenas y una disminución del peso molecular.

•

Las partículas lignocelulósicas se encuentran con una humedad inicial de 6,9433 %, al ser sometidas a un proceso de secado se determinó que alcanzan un peso constante a las 4 h a 100 °C , de esto se concluye que el material debe ser sometido a un proceso de secado previo al ingreso a la línea de extrusión para favorecer la unión fibra matriz eliminando la interferencia del vapor de agua de la fibra en el proceso.

•

De las curvas de hidratación realizadas se determinó que el tiempo máximo de alimentación del aserrín es de 20 minutos, ya que pasado este tiempo el aserrín alcanza una humedad mayor al 1 % que dificulta la unión fibra matriz en el proceso de extrusión (Ayrilmis, 2012).

•

La densidad aparente que presenta el aserrín es de 0,21 g/cm3 , esto genera problemas de alimentación en la tolva, favoreciendo la formación de un puente en la garganta de la misma, por la ligereza del material, como en efecto sucedió, esto determinó la necesidad de un sistema de agitación.

•

Por medio de la termogravimetría se identificó al aserrín como el componente que limita la temperatura del proceso de mezcla, ya que de su caracterización se determinó que ésta debe estar bajo los 207,94 °C.

•

El agente de acoplamiento condicionó la temperatura de inicio del proceso de mezcla polietileno-agente de acoplamiento, pues presentó en la calorimetría diferencial de barrido una temperatura de fusión de 122,80 °C que sugirió una temperatura de inicio del proceso menor a esta, para asegurar el arrastre del material por el husillo, a la zona de fusión y de mezclado.

•

Debido al método utilizado para la mezcla de las diferentes formulaciones, se garantizó un buen mezclado dispersivo y distributivo a nivel macroscópico, que fue constatado al analizar las probetas por medio del negatoscopio.

128

•

Se tomó como criterio de selección el desplazamiento a la cedencia, de esto se concluyó que la concentración que mejores propiedades presentó fue al 15 % de material lignocelulósico, logrando un aumento del 26,52 % del desplazamiento a la cedencia con respecto al polietileno de alta densidad reciclado.

•

Al incorporar aserrín al polietileno este pierde significativamente su capacidad de deformación: a la concentración seleccionada la deformación al pico disminuye en 67,95 % mientras que la deformación a la ruptura disminuye en 98,60%. Esto se asocia a la incompatibilidad de las fases.

•

La concentración de agente de acoplamiento que mejores propiedades presento fue al 1 %, aumentando el porcentaje de deformación lo cual es un indicio de la acción compatibilizante, a partir de este valor las propiedades decrecen, esto se debe a que en determinadas concentraciones el agente de acoplamiento deja de favorecer la formación de los enlaces entre el polietileno y el aserrín.

•

El contenido de agente al 1 % y al 2 % presentan valores cercanos y mayores a los de las otras concentraciones, en este caso el valor que se tomó fue el porcentaje menor, pues el agente de acoplamiento es el limitante por costos y al presentar iguales propiedades tanto al 1 % como al 2 %, el colocar más agente de acoplamiento representa un desperdicio.

•

La planta se diseñó para la producción de 20 sacos de 25 kg de madera plástica diarios, con una concentración de 1 % de agente de acoplamiento y 15 % de aserrín, con una producción continua de 24 h y 2 operarios por turno en tres turnos diarios.

•

La extrusora que se seleccionó es de doble husillo corrotante con una relación L/D de 42 y una relación de compresión de 3. Las características de esta extrusora serán usadas para las mezclas polietileno- agente de acoplamiento y polietileno-agente de acoplamiento-aserrín.

129

4.2.

•

RECOMENDACIONES

Para la fabricación de madera plástica con polietileno reciclado debido a la degradación ya existente en el polímero se deberá adicionar a la mezcla antioxidantes, estabilizantes de luz ultra violeta y retardantes de llama, ya que este sufrirá degradación al momento de preparar la mezcla, al momento de reprocesar la madera plástica y en su uso final.

•

Para evitar la degradación del componente lignocelulósico, se debe considerar un factor de seguridad para las temperaturas del proceso, en esta tesis se trabajó a 180 °C como temperatura máxima de procesamiento.

•

Una fuente de error es el método de moldeo por compresión de las probetas para ensayos mecánicos, en la implementación industrial se recomienda obtener probetas por el método de inyección para disminuir el porcentaje de error que genera el moldeo por compresión en moldes tipo flash.

•

En un proceso industrial es imprescindible la implementación de tolvas con agitadores que permitan mantener un flujo constante del material. Ayudar a mejorar las condiciones de alimentación, aumenta la precisión en las dosificaciones.

•

Analizar microscópicamente el tipo de fractura que presenta el material para determinar de manera más clara la acción del agente de acoplamiento al momento de la unión fibra matriz, en cada dosificación.

•

Exponer el material formulado a atmósfera de envejecimiento acelerado para determinar la vida útil que podría presentar en su uso final, al momento de ser expuesto a radiación ultra violeta en ambientes exteriores.

130

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134

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135

ANEXOS

ANEXO I CÁLCULO DE LA DENSIDAD DEL POLIETILENO RECICLADO Y DE LA MADERA PLÁSTICA ߲ൌ

஺

߲ ஺ି஻ ଴

߲ൌ

‫ܣ‬ ߲ ܲ ଴

߲ ൌ ݀݁݊‫݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݀ܽ݀݅ݏ‬ ‫ ܣ‬ൌ ܲ݁‫݁ݎ݈݅ܽ݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݋ݏ‬ ‫ ܤ‬ൌ ܲ݁‫ݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݁݀݋ݏ‬ ߲଴ ൌ ‫ܽ݀ܽ݀ܽݎݑݐܽݎ݁݌݉݁ݐ݈ܽܽݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݀݀ܽ݀݅ݏ݊݁ܦ‬ ܲ ൌ ‫ ܣ‬െ ‫ ܤ‬ൌ ݁݉‫ݎ݈ܽ݅݅ݔݑܽ݋݀݅ݑݍ݈݈݅݁݊݁݋݈݀݅݋ݏ݈݆݁݀݁ݑ݌‬ Ejemplo de cálculo para el polietileno reciclado con agua como liquido auxiliar a 20 ° C

߲ൌ

Ͳǡ͸͸Ͳʹ ൈ Ͳǡͻͻͺʹ͵ Ͳǡ͸͸Ͳʹ െ ሺെͲǡͲʹ͵ሻ

߲ ൌ Ͳǡͻ͸Ͷ͸ ൅ ‫݁ݎ݈݆݅ܽ݁݀݁ݑ݌݉ܧ‬ ݃ ߲ ൌ Ͳǡͻ͸Ͷ͸ ൅ ͲǡͲͲͳʹ ଷ  ܿ݉ ݃ ߲ ൌ Ͳǡͻ͸ͷͺ ଷ ܿ݉

136

Tabla A I. 1. Valores para el cálculo de la densidad del polietileno de alta densidad reciclado Polietileno de alta densidad reciclado A

B

do

[g]

[g]

20 °C

1

0,6602

-0,0230

0,9982

0,9646

2

0,5444

-0,0321

0,9982

0,9426

3

0,6377

-0,0243

0,9982

0,9616

4

0,4998

-0,0257

0,9982

0,9494

Promedio

0,9546

Densidad

0,9558

Muestra

d

Tabla A I. 2. Valores para el cálculo de la densidad del WPC Madera plástica A

B

do

࠭

Muestra

[g]

[g]

19°C

;ŐͬŵůͿ

1

0,3803

0,0033

0,9984

1,0071

2

0,3253

0,0040

0,9984

1,0108

3

0,3900

0,0033

0,9984

1,0069

4

0,3636

0,0035

0,9984

1,0081

5

0,3027

0,0032

0,9984

1,0090

6

0,3095

0,0013

0,9984

1,0026

Promedio

1,0074

Densidad

1,0086

137

ANEXO II CÁLCULO DE LA DENSIDAD APARENTE DE LAS MATERIAS PRIMAS Y DE LA MEZCLA SELECCIONADA

Tabla A II. 1. Valores para el cálculo de la densidad aparente del aserrín Peso

Volumen

‫ܪ‬

(g)

(ml)

(g/ml)

18,95

86

0,22

19,04

87

0,21

19,75

94

0,21

19,61

93

0,21

18,06

84

0,21

18,16

82

0,22

21,31

98

0,21

19,64

94

0,20

Promedio

0,21

Desviación

0,005

Tabla A II. 2. Valores para el cálculo de la densidad aparente del polietileno Peso

Volumen

‫ܪ‬

(g)

(ml)

(g/ml)

27,11

59

0,45

26,42

57

0,46

25,22

53

0,47

25,63

54,03

0,47

22,90

53

0,43

25,19

54

0,46

24,30

54

0,45

22,80

51

0,44

Promedio

0,45

Desviación

0,015

138

Tabla A II.3. Valores para el cálculo de la densidad aparente de la mezcla final Peso

Volumen

‫ܪ‬

(g)

(ml)

(g/ml)

28,36

54

0,52

26,73

50

0,53

29,31

54

0,54

28,71

53

0,54

29,1

54

0,53

27,79

52

0,53

29,4

54

0,54

28,37

53

0,53

Promedio

0,53

Desviación

0,006

139

ANEXO III DETERMINACIÓN DE LAS MASAS DE CADA UNA DE LAS MEZCLAS QUE SE CARGARON EN EL REÓMETRO Se determinó la densidad de la mezcla con la ecuación A.III.1. ߲௠ ൌ ߲ଵ ‫ܺ כ‬ଵ ൅ ߲ଶ ‫ܺ כ‬ଶ Donde: ߲௠ = densidad de la mezcla (g/cm3) ߲ଵ = densidad del componente 1 (g/cm3) ܺଵ= fracción en peso del componente 1 ߲ଶ = densidad del componente 2 (g/cm3) ܺଶ= fracción en peso del componente 2 Según el manual de operación del reómetro Haake modelo Rheomix 600P al usar rotores Roller el volumen de la cámara es de 70 cm3 y el porcentaje de llenado recomendado es de 70%. •

Ejemplo de cálculo de la densidad de la mezcla usando la concentración de aserrín al 15%.

ଷ ݃ ߲௠ ൌ Ͳǡʹͳͷ͵ ‫Ͳ כ‬ǡͳͷ ൅ Ͳǡͻͷͷ ‫Ͳ כ‬ǡͺͷ ൌ ͲǡͺͶͶ ൗܿ݉ 

Para calcular la masa de la mezcla: ݉ ൌ ߲௠ ‫ܸ כ‬௡ ‫݂ כ‬ Donde: ݉ = masa de la mezcla [g] ߲௠ = densidad de la mezcla g/cm3 ܸ௡ = volumen neto de la cámara cm3

[A.III.2]

[A.III.1]

140

݂

= fracción optima de llenado

•

Ejemplo de cálculo de la masa de la mezcla usando la concentración de aserrín al 15%. ݉ ൌ ͲǡͺͶͶ ‫ כ‬͹Ͳ ‫Ͳ כ‬ǡ͹ ൌ Ͷͳǡ͵ͷͺ݃

[A.III.2]

Tabla A III.1. Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de polietileno reciclado junto con aserrín. Densidad de la

Masa del

Masa del

Masa de la

mezcla

aserrín

polietileno

mezcla

[g/cm ]

[g]

[g]

[g]

5%

0,918

2,249

42,734

44,983

10 %

0,881

4,317

38,853

43,170

15 %

0,844

6,204

35,154

41,358

20 %

0,807

7,909

31,637

39,546

25 %

0,770

9,433

28,300

37,734

30 %

0,733

10,776

25,145

35,921

35 %

0,696

11,938

22,171

34,109

40 %

0,659

12,919

19,378

32,297

45 %

0,622

13,718

16,767

30,485

Concentración Aserrín

3

Tabla A III.2. Masa de los componentes que ingresan en el reómetro para la mezcla de polietileno reciclado, aserrín y agente de acoplamiento. Masa del

Concentración

Densidad de

Masa del

Masa del

Agente de

la mezcla

aserrín

polietileno

acoplamiento

[g/cm3]

[g]

[g]

0,5 %

0,844

6,205

34,955

0,207

41,367

1,0 %

0,844

6,206

34,755

0,414

41,375

1,5 %

0,845

6,208

34,556

0,621

41,384

2,0 %

0,845

6,209

34,356

0,828

41,393

3,0 %

0,845

6,211

33,956

1,242

41,410

5,0 %

0,846

6,217

33,155

2,072

41,444

agente de acoplamiento [g]

Masa de la mezcla [g]

141

ANEXO IV CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE LA PLANTA PILOTO DE MADERA PLÁSTICA CAPACIDAD DE LA PLANTA En la Estación de Transferencia NORTE (Las palmeras y Eloy Alfaro) se recolectan 1 015,72 t de esto el 15,5 % son plásticos de los cuales alrededor del 12% se recicla y de esto el 2,424 % son plásticos de alta densidad.

ͳͲͳͷǡ͹ʹ

ͳͷ͹ǡͶ͵ ͳͺǡͺͻ

‫ͳ ݊݋ݐ‬ͷǡͷ‫݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬ ‫݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬ ൈ ൌ ͳͷ͹ǡͶ͵ ݀Àܽ ͳͲͲ‫݊݋ݐ‬ ݀Àܽ

‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐʹͳ ݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬ ‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏž݈݌݊݋ݐ‬ ൈ ൌ ͳͺǡͺͻ ݀Àܽ ͳͲͲ‫݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬ ݀Àܽ

‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬ ʹǡͶʹͶ‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬ ‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬ ൈ ൌ ͲǡͶͷ͹ ݀Àܽ ͳͲͲ‫݋݈݀ܽܿ݅ܿ݁ݎ݋ܿ݅ݐݏ݈ܽ݌݊݋ݐ‬ ݀Àܽ

ͲǡͶͷ͹

‫ܦܣܧܲ݊݋ݐ‬ ݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬ ൌ Ͷͷ͹ ݀Àܽ ݀Àܽ

BALANCE DE MASA •

Materias primas

Se producirá 0,5 T/día por lo tanto se consumirá 0,42 t PEADR/día con un sobrante de 0,037 T/día. ݇݃݉݁‫݀ͳ ݈ܽܿݖ‬Àܽ ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ൈ ൌ ʹͲǡͺ͵ ݀Àܽ ʹͶ݄ ݄ ݇݃݉݁‫ͳ ݈ܽܿݖ‬ͷ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ʹͲǡͺ͵ ൈ ൌ ͵ǡͳʹͷ ݄ ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ݄ ͷͲͲ

142

ʹͲǡͺ͵

݈݇݃݅ܿ‫݁݊݁ܿ݋‬ ݇݃݉݁‫݁݊݁ܿ݋݈ܿ݅݃݇ͳ ݈ܽܿݖ‬ ൈ ൌ ͲǡʹͲͺ ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ݄ ݄

ʹͲǡͺ͵

݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ͺͶ݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬ ݇݃ܲ‫ܦܣܧ‬ ൈ ൌ ͳ͹ǡͶͻ ݄ ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ݄

Tabla A IV.1. Balance de masa de la planta de producción de madera plástica Componente

Cantidad

Cantidad

Cantidad

[t / día]

[ kg / día]

[ kg / h]

0,42

420

17,5

0,075

75

3,125

0,005

5

0,208

0,5

500

20,833

Polietileno de alta densidad reciclado Aserrín Agente de acoplamiento Total

•

Agua que sale del secador

ʹͲǡͺ͵ ͵ǡͳʹͷ Ͳǡʹͳ͸ͺ

݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ݇݃݉݁‫ͳ ݈ܽܿݖ‬ͷ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ൈ ൌ ͵ǡͳʹͷ ͳͲͲ݇݃݉݁‫݈ܽܿݖ‬ ݄ ݄

݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ͲǡͲ͸ͻͶ݇݃ܽ݃‫ܽݑ‬ ݇݃ܽ݃‫ܽݑ‬ ൈ ൌ Ͳǡʹͳ͸ͺ ݄ ͳ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ݄

݇݃ܽ݃‫݈݉ͳ ݃ͲͲͲͳ ܽݑ‬ ݈݉ܽ݃‫ܽݑ‬ ݈ܽ݃‫ܽݑ‬ ൈ ൈ ൌ ʹͳ͸ǡͺ ൌ Ͳǡʹͳ͸ͺ ݄ ͳ݇݃ ͳ݃ ݄ ݄ ൌ ʹǡͳ͸ͺ ൈ ͳͲିସ

ʹͳ͸ǡͺ

݉ଷ ܽ݃‫ܽݑ‬ ݄

݈݉ܽ݃‫ʹ ܽݑ‬Ͷ݄ ͳ݈ ݈ܽ݃‫ܽݑ‬ ݉ଷ ܽ݃‫ܽݑ‬ ൈ ൈ ൌ ͷǡʹͲ͵ʹ ൌ ͷǡʹ ൈ ͳͲିଷ  ݄ ͳ݀Àܽ ͳͲͲͲ݈݉ ݀Àܽ ݀Àܽ Tabla A IV.2. Balance de masa del agua que sale del secador Cantidad de agua que sale del secador

l /h

l /día

m3/h

m3/día

0,2168 5,2032 2,168 ×10-4 5,2 ×10-3

143

•

Agua usada en el tanque de enfriamiento ͳǡͺ݉ ൈ Ͳǡͷ݉ ൈ Ͳǡͷ݉ ൌ Ͳǡ͵͹ͷ݉ଷ ൌ ͵͹ͷ݈

SELECCIÓN DE EQUIPOS •

Determinación de las características del extrusor para la mezcla por medio de la ecuación que se encuentra a continuación (Rosato & Rosato, 1989, p. 160): ݉ ൌ ʹǡ͵ ൈ ‫ܦ‬ଶ ൈ ݄ ൈ ݃ ൈ ܰ

[A.I.2]

Donde: m= Alimentación [lb/h] D= Diámetro del husillo [plg] h= altura filete zona de dosificación [plg] g= Gravedad especifica del fluido N= Velocidad del husillo [rpm] En un extrusor de doble husillo el diámetro del husillo no es un factor determinante. El factor que determina el equipo es el intereje que es la distancia entre centro a centro de los husillos (Ramos, 2002, p. 144). ʹ‫ ܫ‬ൌ ‫ ܦ‬൅ ݀

[A.I.2]

Figura A.IV.1 Esquema de una extrusora corrotante Por lo tanto: ݄ ൌ‫ܦ‬െ‫ܫ‬

[A.I.2]

Según Naranjo la relación entre la altura del flete y el diámetro se define por: ݄ ൌ ͲǡͲͷ ൈ ‫ܦ‬

[A.I.2]

144

Por el método de prueba y error se determinó el diámetro y las revoluciones que teóricamente debería dar el husillo para una producción de 20,83 Kg/h, los valores a continuación presentados serán para un Diámetro de 35 mm: ܰൌ

ͳ ݉ ൈ ଶ ʹǡ͵ ൈ ݄ ൈ ݃ ‫ܦ‬

Donde: ݄ ൌ ͲǡͲͷ ൈ ‫ܦ‬ ܰൌ ܰൌ

݉ ͳ ൈ ଷ Ͳǡͳͳͷ ൈ ݃ ‫ܦ‬

Ͷͷǡͻʹ݈ܾȀ݄ ͳ ൈ Ͳǡͳͳͷ ൈ ͳǡͲͲͺ ሾͳǡ͵͹ͺ‫݈݃݌‬ሿଷ ܰ ൌ ͳͷͳǡͶͳ‫݉݌ݎ‬ ݄ ൌ‫ܦ‬െ‫ܫ‬ ‫ ܫ‬ൌ‫ܦ‬െ݄ ‫ ܫ‬ൌ ͳǡ͵͹ͺ‫ ݈݃݌‬െ ͲǡͲ͸ͻ ‫ ܫ‬ൌ ͳǡ͵Ͳͻ‫݈݃݌‬ ʹ‫ ܫ‬ൌ ‫ ܦ‬൅ ݀ ݀ ൌ ʹ‫ ܫ‬െ ‫ܦ‬ ݀ ൌ ʹሺͳǡ͵Ͳͻሻ െ ͳǡ͵͹ͺ ݀ ൌ ͳǡʹͶͲ‫݈݃݌‬

Tabla A IV.3. Valores de prueba y error para la determinación del diámetro y del intereje del extrusor para una producción de 20,83 kg/h D

h

[mm] [plg] [mm] [plg]

N [rpm]

I [hz]

d

[mm] [plg] [mm] [plg]

25,000 0,984 1,250 0,049 415,475 6,925 23,750 0,935 22,500 0,886 30,000 1,181 1,500 0,059 240,437 4,007 28,500 1,122 27,000 1,063 35,000 1,378 1,750 0,069 151,412 2,524 33,250 1,309 31,500 1,240 40,000 1,575 2,000 0,079 101,434 1,691 38,000 1,496 36,000 1,417

145

•

Calculo de la relación L/D

Según Morales los valores mínimos, medio y máximo de longitud del husillo según las zonas se determinan de la siguiente manera:

Tabla A IV.4.

Valores de longitud mínimo, medio y máximo por zonas del husillo para

la determinación de su longitud máxima con un diámetro de 35 mm Zona

Mínimo Medio Máximo

Zona de Alimentación

8D

10D

12D

[mm]

280

350

420

Zona de compresión

10D

12D

14D

[mm]

350

420

490

Zona de dosificación

12D

14D

16D

[mm]

420

490

560

Longitud [mm]

1050

1260

1470

L/D

30

36

42

Se consideró para el cálculo de L/D el valor máximo de longitud del husillo con un diámetro de 35 mm para asegurar un mezclado más eficiente, tomando en cuenta que según Naranjo (2002) la relación L/D debe ser mayor a 30 para extrusoras con puertos de venteo. ‫ͳ ܮ‬Ͷ͹Ͳ݉݉ ൌ ‫ܦ‬ ͵ͷ݉݉ ‫ܮ‬ ൌ Ͷʹ ‫ܦ‬

146

•

Calculo de la relación de compresión Rc:

Según Morales (2010) el factor de compresión es la relación volumétrica entre la zona de alimentación y dosificado pero se la expresa como la relación de profundidad de canales en estas zonas si el ángulo y la altura de los filetes se mantienen constantes: ௛

ܴܿ ൌ ௛భ

[A.I.2]

మ

Donde: h1 = altura del filete en la zona de alimentación [mm] h2 = altura del filete en la zona de dosificación [mm]

Tabla A IV.5.

Valores mínimos y máximos de alturas de filetes en la zona de

alimentación y dosificación (Ramos, 2002, p. 245) Zona

Mínimo Máximo

Zona de Alimentación

0,10D

0,15D

[mm]

3,5

5,25

Zona de dosificación

0,025D

0,05D

[mm]

0,875

1,75

Se consideró los valores máximos de Rc para los filetes

ܴܿ ൌ

ͷǡʹͷ݉݉ ͳǡ͹ͷ݉݉

ܴܿ ൌ ͵

•

Secador

Para la selección de un secador se debe conocer el volumen a secar, se tomó en cuenta el volumen requerido para un día de producción. ͵ǡͳʹͷ

ʹͶ݄ ݈݉ ͳͲͲͲ݃ ͳ‫ܮ‬ ‫ݎݎ݁ݏܽܮ‬À݊ ‫݃ܭ‬ ൈ ൈ ൈ ൈ ൌ ͵Ͷͺǡͺ͵͹ ͳ݀Àܽ‫Ͳ ݏ‬ǡʹͳͷ݃ ͳ‫݃ܭ‬ ͳͲͲͲ݈݉ ݀Àܽ ݄

147

•

Molino

Para la selección de un molino se considera la carga que se requiere disminuir el tamaño. ͵ǡͳʹͷ

ʹͶ݄ ݇݃ܽ‫ݎݎ݁ݏ‬À݊ ‫݃ܭ‬ ൈ ൈൌ ͹ͷ ͳ݀Àܽ‫ݏ‬ ݀Àܽ ݄

148

ANEXO V REOGRAMAS DE ALGUNAS DE LAS MEZCLAS REALIZADAS EN EL REÓMETRO

Figura A V.1.

Figura A V.2.

Reograma del Polietileno solo

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 5 %

149

Figura A V.3.

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 %

Figura A V.4.

Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 45 %

150

Figura A V.5. Reograma de la mezcla de polietileno y aserrín al 15 % con 1 % de agente de acoplamiento

151

ANEXO VI VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LAS TOLVAS Y LA EXTRUSORA

VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LAS TOLVAS Tabla A VI.1. Calibración de la tolva secundaria con aserrín de 140 µm Velocidad [Hz]

Masa de la tarrina y aserrín

Masa aserrín

[g/min]

[g/min]

Aserrín [g/min]

Des. est

Aserrín (kg/h)

1

2

3

4

1

2

3

4

0,5

13,06

13,64

13,28

13,19

3,36

3,86

3,45

3,73

3,60

0,23

0,22

1

17,94

18,57

18,27

17,99

8,24

8,79

8,44

8,53

8,50

0,23

0,51

2

27,12

27,20

27,42

27,20

17,42

17,42

17,59

17,74

17,54

0,15

1,05

4

45,15

45,75

45,63

44,76

35,45

35,97

35,80

35,30

35,63

0,31

2,14

6

64,07

62,28

63,56

62,04

54,37

52,50

53,73

52,58

53,30

0,91

3,20

152

Tabla A VI.2. Calibración de la tolva secundaria con agente de acoplamiento

Velocidad [Hz]

Masa de la tarrina y aserrín [g/min]

Masa aserrín

Agente de

[g/min]

acoplamiento

Des. Est

Agente de acoplamiento

1

2

3

4

1

2

3

4

[g/min]

[kg/h]

0,1

9,89

10,07

10,32

9,76

0,19

0,29

0,49

0,30

0,32

0,13

0,02

0,2

10,94

11,25

11,05

10,78

1,24

1,47

1,22

1,32

1,31

0,11

0,08

0,3

13,02

13,22

13,62

13,46

3,32

3,44

3,79

4,00

3,64

0,31

0,22

0,4

14,91

15,31

15,37

15,06

5,21

5,53

5,54

5,60

5,47

0,18

0,33

0,5

16,64

17,46

17,95

17,83

6,94

7,68

8,12

8,37

7,78

0,63

0,47

1

28,64

28,76

28,78

28,29

18,94 18,98 18,95 18,83

18,93

0,07

1,14

153

Tabla A VI.3. Calibración de la tolva principal con PEHDR Velocidad [Hz]

Masa de la tarrina y aserrín

Masa aserrín

[g/min]

[g/min]

PEADR

Des.

PEADR

[g/min]

Est

(kg/h)

1

2

3

4

1

2

3

4

1

25,30

26,31

24,79

24,86

15,60

16,53

14,96

15,40

15,62

0,66

0,94

2

43,52

43,20

43,82

44,37

33,82

33,42

33,99

34,91

34,04

0,63

2,04

3

60,84

62,72

60,45

61,30

51,14

52,94

50,62

51,84

51,64

1,00

3,10

4

81,53

81,10

80,56

80,87

71,83

71,32

70,73

71,41

71,32

0,45

4,28

5

98,94

100,07

98,28

99,34

89,24

90,29

88,45

89,88

89,47

0,80

5,37

6

113,88

114,04

112,55

110,37

104,18

102,26

102,72

100,91

102,52

1,35

6,15

154

Tabla A VI.4. Calibración de la tolva principal con la mezcla de PEHDR y agente de acoplamiento Masa de la tarrina y aserrín Velocidad [Hz]

[g/min]

PEADR

Masa aserrín [g/min]

agente de acoplamiento

PEADR Des. Est.

agente de acoplamiento

1

2

3

1

2

3

1

31,62

31,42

30,36

21,29

21,30

20,24

20,94

0,61

1,26

2

53,28

52,85

53,59

43,58

43,07

43,76

43,47

0,36

2,61

3

75,75

74,29

75,58

66,05

64,51

65,75

65,44

0,82

3,93

4

100,37

99,01

100,63

90,67

89,23

90,80

90,23

0,87

5,41

5

118,57

118,64

119,88

108,87

108,86

110,05

109,26

0,68

6,56

[g/min]

(Kg/h)

155

VALORES DE LA CALIBRACIÓN DE LA EXTRUSORA

Tabla A VI.5. Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla polietileno-agente de acoplamiento

Pehdr [g/min]

Agente de acoplamiento [g/min]

Tiempo

Masa salida Masa

Husillo

Peletizador

[g/min]

Hz

Hz

Masa peletizador g/min

g/min

residencia husillo

1

2

3

Promedio

desv. Est.

kg/h

h

min

34,035

0,405

34,44

0,5

0,4

26,87

27,30

26,9

27,02

0,24

1,62

0,24

14,43

42

0,50

42,50

1

0,6

36,04

36,53

36,97

36,51

0,46

2,19

0,17

10,21

51,635

0,614

52,24

1,5

0,7

49,64

48,72

49,03

49,13

0,46

2,94

0,14

8,8

71,3225

0,849

72,1715

2,6

0,7

68,79

67,39

68,54

68,24

0,74

4,09

0,085

5,1

89,465

1,06

90,52

3,1

0,8

81,9

82,90

83,01

82,60

0,61

4,95

0,076

4,57

102,51

1,22

103,73

3,6

0,8

100,8

101,4

101,9

101,36

0,55

6,08

0,075

4,52

156

Tabla A VI.6. Valores de la calibración y tiempo de residencia de la mezcla final obtenida Pehdr+agente de acoplamiento [g/min]

Aserrín [g/min]

Masa esperada [g/min]

Tiempo

Masa salida Husillo

Peletizador

Hz

Hz

Masa peletizador g/min

g/min

residencia husillo

1

2

3

Prome

desv.

dio

Est.

kg/h

h

min

20,943

3,69

24,63

0,5

0,4

21,34

21,98

22,34

21,88

0,50

1,47

0,381

22,87

42,5

7,50

50,00

1,5

0,65

46,06

46,32

46,01

46,13

0,16

3.00

0,172

10,33

65,43

11,54

76,97

2,8

0,7

68,79

66,97

68,54

68,1

0,98

4,61

0,145

8,74

90,233

15,92

106,15

3,4

0,8

93,95

93,98

93,01

93,64

0,55

6,36

0,094

5,64

109,26

19,28

128,54

4

0,95

124,6

124,06

124,87

124,51

0,41

7,71

0,0855

5,13

157

ANEXO VII VALORES DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS DE LAS DIFERENTES MEZCLAS

Tabla A VII.1. Valores de ensayo de tracción de las diferentes concentraciones sin el uso de agente de acoplamiento Módulo

Porcentaje

Deformación

de aserrín

al pico

[%]

(%)

0

13,76

0,85

21,30

1,70

334,50

45,05

8,95

1,97

485,72

28,30

5

7,45

1,62

26,61

2,33

7,45

1,62

26,61

2,33

557,30

19,03

10

6,33

0,48

23,63

0,94

6,33

0,48

23,63

0,94

558,74

23,60

15

4,40

0,27

19,82

1,32

4,40

0,27

19,82

1,32

651,86

42,92

20

3,53

0,26

14,19

2,20

3,53

0,26

14,19

2,20

613,46

30,38

25

2,68

0,47

14,94

1,78

2,68

0,47

14,94

1,78

650,90

26,84

30

1,85

0,57

11,62

2,44

1,85

0,57

11,62

2,44

648,58

51,43

35

1,65

0,66

8,28

2,05

1,65

0,66

8,28

2,05

664,82

15,27

40

1,94

0,52

12,56

2,65

1,94

0,52

12,56

2,65

661,60

26,74

45

1,86

0,44

13,56

3,37

1,86

0,44

13,56

3,37

771,82

39,87

Desviación estándar

Esfuerzo al pico (MPa)

Desviación estándar

Deformación a la ruptura (%)

Desviación estándar

Esfuerzo a la ruptura (MPa)

Desviación

de

Desviación

estándar

Young

estándar

(MPa)

158

Tabla A VII.2. Valores de ensayo de flexión de las diferentes concentraciones sin el uso de agente de acoplamiento Desplazamiento

Desviación

Modulo

Desviación

a cedencia (mm)

estándar

(MPa)

estándar

0

7,54

0,74

1563,00

168,87

5

9,04

0,54

519,50

36,49

10

7,43

0,90

444,45

9,03

15

9,54

0,37

533,72

28,09

20

8,72

0,71

482,04

28,95

25

8,36

0,54

697,70

18,81

30

6,70

0,55

1905,00

5,56

35

7,48

0,48

1538,76

145,94

40

7,12

0,36

1900,00

173,33

45

4,82

0,43

1574,82

19,05

Concentración

159

Tabla A VII.3. Valores del ensayo de tracción del material compuesto al 15 % de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento. ΀ŐĞŶƚĞĚĞ

ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶ

ƐĨƵĞƌnjŽĂů ĞƐǀŝĂĐŝſŶ

ĂĐŽƉůĂŵŝĞŶƚŽ΁й

ĂůƉŝĐŽ

ĞĨŽƌŵĂĐŝſŶ

ƉŝĐŽ ĞƐƚĄŶĚĂƌ

ƐĨƵĞƌnjŽĂ ĞƐǀŝĂĐŝſŶ

ĞƐǀŝĂĐŝſŶ ĂůĂƌƵƉƚƵƌĂ ĞƐƚĄŶĚĂƌ ;MPaͿ

DſĚƵůŽĚĞ ĞƐǀŝĂĐŝſŶ

ůĂƌƵƉƚƵƌĂ ĞƐƚĄŶĚĂƌ

;йͿ

ĞƐǀŝĂĐŝſŶ zŽƵŶŐ

ĞƐƚĄŶĚĂƌ

ĞƐƚĄŶĚĂƌ ;MPaͿ

нĂƐĞƌƌŝŶϭϱй

;йͿ

;MPaͿ

Ϭ

ϰ͕ϰϬ

Ϭ͕Ϯϳ

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ϰ͕ϰϬ

Ϭ͕Ϯϳ

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ϭ͕ϯϮ

ϲϱϭ͕ϴϲ

ϰϮ͕ϵϮ

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ϯ͕ϵϵ

Ϭ͕ϯϴ

ϮϬ͕ϵϲ

ϯ͕ϭϯ

ϯ͕ϵϵ

Ϭ͕ϯϴ

ϮϬ͕ϵϲ

ϯ͕ϭϯ

ϲϴϱ͕ϳϮ

ϰϮ͕ϱϵ

ϭ

ϱ͕ϵϲ

Ϭ͕ϱϲ

Ϯϳ͕ϯϭ

Ϭ͕ϵϵ

ϱ͕ϵϲ

Ϭ͕ϱϲ

Ϯϳ͕ϯϭ

Ϭ͕ϵϵ

ϲϳϯ͕ϴϲ

Ϯϱ͕ϯϯ

ϭ͕ϱ

ϰ͕ϳϭ

Ϭ͕ϲϳ

Ϯϯ͕ϵϱ

ϭ͕ϱϮ

ϰ͕ϳϭ

Ϭ͕ϲϳ

Ϯϯ͕ϵϱ

ϭ͕ϱϮ

ϲϴϴ͕Ϯϴ

Ϯϵ͕ϯϮ

Ϯ

ϯ͕Ϭϲ

Ϭ͕ϰϲ

ϭϳ͕ϭϲ

Ϯ͕ϳϳ

ϯ͕Ϭϲ

Ϭ͕ϰϲ

ϭϳ͕ϭϲ

Ϯ͕ϳϳ

ϱϵϱ͕Ϯϲ

ϭϯ͕ϭϯ

ϯ

ϰ͕ϱϭ

Ϭ͕ϱϲ

Ϯϰ͕ϯϱ

Ϭ͕ϵϯ

ϰ͕ϱϭ

Ϭ͕ϱϲ

Ϯϰ͕ϯϱ

Ϭ͕ϵϯ

ϳϲϭ͕ϯϬ

ϱϴ͕ϱϵ

ϱ

ϰ͕ϯϴ

Ϭ͕ϯϭ

Ϯϰ͕ϲϯ

ϭ͕ϯϴ

ϰ͕ϯϴ

Ϭ͕ϯϭ

Ϯϰ͕ϲϯ

ϭ͕ϯϴ

ϳϱϴ͕ϬϬ

ϲϰ͕ϱϳ

160

Tabla A VII.4. Valores del ensayo de flexión del material compuesto al 15 % de aserrín, variando la cantidad de agente de acoplamiento

Concentración

Desplazamiento Desviación Modulo Desviación a cedencia (mm)

estándar

(MPa)

estándar

0

9,54

0,37

533,72

28,09

0,5

10,70

0,42

900,90

21,88

1

11,48

0,37

778,56

36,80

1,5

8,75

0,68

723,22

90,76

2

11,45

0,89

705,06

96,80

3

8,80

0,52

852,52

39,50

5

8,48

0,55

1 068,22

182,60

161

ANEXO VIII PROFORMAS DE MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS EN LA PLANTA DE MADERA PLÁSTICA POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD RECICLADO

162

163

164

AGENTE DE ACOPLAMIENTO

165

ANEXO IX PROFORMAS DE LOS EQUIPOS LÍNEA DE EXTRUSIÓN

166

167

168

169

170

171

172

173

SECADOR ROTATORIO

174

175

176

SISTEMA DE PESAJE

177

178

179

ANEXO X CÁLCULOS ANÁLISIS ECONÓMICO Se producirá 20 sacos diarios de madera plástica que estará conformado por la siguiente cantidad de materia prima:

Tabla A X.1. Materias primas que se utilizarán en un día

Componente

Flujo másico [ kg / día]

Polietileno de alta densidad reciclado

Aserrín

420

75

Agente de acoplamiento

5

(Licocene®)

Total

500

PRODUCCIÓN MENSUAL:

•

Costo del polietileno reciclado ͶʹͲ

•

݇݃ Ͳǡ͹ͷ̈́ ൈ ൈ ͵Ͳ‫ܦ‬Àܽ‫ ݏ‬ൌ ͻͶͷͲ̈́ ‫ܦ‬Àܽ ͳ‫݃ܭ‬

Costo del agente de acoplamiento

ͷ

ܷܵ‫ܦ‬ ݇݃ ͳͳǡͷͲܷܵ‫ܦ‬ ൈ ൈ ͵Ͳ‫ܦ‬Àܽ‫ ݏ‬ൌ ͳ͹ʹͷ ͳ‫݃ܭ‬ ‫ݏ݁ܯ‬ ‫ܦ‬Àܽ

180

AGUA UTILIZADA AL MES Se utilizara 0,375 m3 de agua en el tanque de enfriamiento y en el tanque de la bomba se utilizara 0,4 m3 esta cantidad de agua se cambiara semanalmente, 4 cambios al mes, el valor de agua en la ciudad de quito en el sector industrial corresponde a 0,72 $/m3, el costo del alcantarillado es de 36,6 % del consumo y el cargo fijo de conexión es del 2,1 $ por mes. Ͳǡ͹͹ͷ݉ଷ  ൈ Ͷܾܿܽ݉݅‫ ݏ݋‬ൈ Ͳǡ͹ʹ‫ ݀ݏݑ‬ൌ ʹǡʹ͵ʹ

̈́ ‫ݏ݁ܯ‬

El costo total de agua para la producción será de:

ʹǡʹ͵ʹ

̈́ ̈́ ̈́ ൅ ʹǡͳ ൅ Ͳǡͺͳ͸ͻ̈́ ൌ ͷǡͳͶͺͻ ‫ݏ݁ܯ‬ ‫ݏ݁ܯ‬ ‫ݏ݁ܯ‬

ENERGÍA ELÉCTRICA AL MES

La potencia consumida por los equipos será de 2320,5 Kwh con un factor de corrección de 0,6 pues el uso no será en su máxima capacidad. El costo del Kwh para consumo industrial es de 0,068 $ según la Empresa Eléctrica Quito en el pliego tarifario vigente, con un recargo mensual de 4,182 al mes por ser zona industrial por Kwh, más 15 % por alumbrado y recolección de basura, el cuerpo de bomberos en zona industrial cobra 17,52 $ y el costo de la comercialización es de 1,414 $. ʹ͵ʹͲǡͷ

‫݄ݓܭ‬ ൈ ͲǡͲ͸ͺ̈́ ൅ ൫ሺʹ͵ʹͲǡͷ ൈ Ͷǡͳͺʹሻ ൅ ͳ͹ǡͷʹ ൅ ͳǡͶͳͶ൯̈́ ൅ ሺʹ͵ʹͲǡͷ ൈ Ͳǡͳͷሻ̈́ ‫ݏ݁ܯ‬ ̈́ ൌ ͻͻͲͶǡ͹ʹ ‫ݏ݁ܯ‬

181

SALARIO PARA OPERARIOS Sueldo básico 354 $ Numero de operarios 6 Aporte al IESS 11,5 % Décimo tercero 354 $ Décimo cuarto 354 $ Total por operario al año 5 444,52 $ Sueldo mensual 453,71 $ Gasto mensual en sueldos de 6 operarios 2 722,26 $

COSTO DE PRODUCCIÓN ࡯ࡻࡿࢀࡻࡸࢁࢆ ൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻ࡭ࡳࢁ࡭ ൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡹ࡭ࢀࡱࡾࡵ࡭ࡿࡼࡾࡵࡹ࡭ࡿ ൅ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡻࡼࡱࡾ࡭ࡾࡵࡻࡿ ൌ ࡯ࡻࡿࢀࡻࡼࡾࡻࡰࢁ࡯࡯ࡵࡻࡺࢀࡻࢀ࡭ࡸ ૢૢ૙૝ǡ ૠ૛ ൅ ૞ǡ ૚૝ૡૢ ൅ ሺૢ૝૞૙ ൅ ૚ૠ૛૞ሻ ൅ ૛ૠ૛૛ǡ ૛૟ ൌ ૛૜ૡ૙ૠǡ ૚૛ૡૢ࢛࢙ࢊ La producción es de 600 sacos al mes cuyo costo por saco oscilaría entre $39,50 El kilogramo de material costara $1,58