UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO Por: Litzabriela J. Soteldo R. INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Sartenejas, Diciembre del 2009 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO Por: Br. Litzabriela J. Soteldo R. Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Jeanette González. Tutor Industrial: Ing. Marilinda Antuoni Maggi. Jurado Evaluador: Prof. Maria Virginia Candal INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Sartenejas, Diciembre del 2009 ESPECIFICACIONES DE PALETAS MARCA UNIPLAST Y FACTIBILIDAD DE ELABORACIÓN CON MATERIAL ALTERNATIVO Realizado por: Br. Litzabriela J. Soteldo R. RESUMEN El presente proyecto fue desarrollado en Industrias Uniplásticas C.A. (Uniplast) y su objetivo principal fue determinar las especificaciones de la formulación estándar de PEAD empleada por la empresa, para la elaboración de sus productos a fin de garantizarle al cliente valores admisibles de cada una de ellas y buscar un material alternativo que lo supera en temperaturas mínima y/o máxima de uso. A partir de ello se determinó la resistencia a la flexión a nivel de laboratorio y a nivel de planta, la temperatura de deflexión, la temperatura de fragilización, el índice de fluidez, la resistividad eléctrica, la resistencia eléctrica y la constante dieléctrica. Para las dos temperaturas evaluadas (deflexión y fragilización) se evaluó el efecto del porcentaje de materia prima recuperada en la formulación. Seguidamente se inyectaron paletas en dos materiales alternativos, PP copolímero de etileno-propileno y una mezcla de este último con PEAD, se procedió a medir la temperatura de fragilización y la temperatura de deflexión de probetas mecanizadas. Los valores obtenidos fueron comparados con los correspondientes a la formulación estándar y se evaluó la resistencia a la flexión en planta de las paletas elaboradas en los dos materiales alternativos. Se obtuvo que la temperatura de deflexión no varía con el material ni con el porcentaje de materia prima recuperada, que la temperatura de fragilización resultó menor para la mezcla seguida del PEAD y mayor para el PP copolímero y el ensayo de flexión a nivel de planta resultó satisfactorio para todos los materiales en estudio, recomendándose la mezcla como material alternativo para la elaboración de las paletas. iv DEDICATORIA Este proyecto se lo dedico a mi Abuelita Betty Clavier de Soteldo, por haber sido madre y abuela al mismo tiempo. Sin ti no lo habría logrado. Gracias por estar ahí siempre, por tus consejos y por tu amor incondicional. Te amo. v AGRADECIMIENTOS A Dios por haberme guiado durante toda mi carrera y haberme dado el valor suficiente para seguir siempre adelante y lograr todas las metas que me he propuesto. A mi Papi Gabriel Soteldo y a mis Abuelitas Betty de Soteldo y María Josefina de Soteldo por creer en mí, darme su apoyo incondicional, sus palabras de aliento y motivarme en los momentos difíciles a lo largo de mi vida. Gracias por todo el cariño, el amor y por enseñarme a luchar por mis sueños. Gracias por hacerme la persona que soy… Los amo! A Luisa Clavier “Mami Chula”, por haber sido una segunda madre para mí, por su cariño, su amor y sus consentimientos. Te quiero Mami!. A Alicia Rodríguez de Soteldo, por su forma de ser hacia mí y su apoyo. Gracias por ser tan especial. Te quiero mucho. A mi gran familia por el apoyo incondicional. A mis primos, mi prima Verónica Clavier “Primi” y en especial a mis madrinas Maria Josefina Soteldo “Toto” y Betty Soteldo “Tía Connie” por las risas y por enseñarme valores tan importantes como la solidaridad, la hermandad, el amor y la alegría que los caracteriza. A mis tutoras Ing. Marilinda Antuoni, Prof. Jeanette González por haber sido mis guías en la realización de este proyecto. Gracias… A Lorenzo Rivero por ser mi compañero incondicional. Gracias por tus consejos, tus enseñanzas, por saber escuchar, por no dejarme caer y acompañarme en todo momento. Te quiero! A mis amigos, por todos los momentos que pase junto a ustedes en estos cinco años. Por su apoyo, su alegría y las rumbas. En especial a Francisco Unda, Andrea Mejías. Los quiero! Al Ing. Hector Rojas y al Sr. Próspero Soto del Laboratorio “E” de Polímeros por haberme permitido llevar a cabo los ensayos para la realización del proyecto; al Prof. Jorge Ramírez del Laboratorio “A” de Alta Tensión por su excelente trabajo en la obtención de las propiedades eléctricas necesarias y al Prof. Adalberto Rosales por su colaboración y sus atenciones. vi INDICE GENERAL Acta de evaluación de Pasantía Larga iii Resumen iv Dedicatoria v Agradecimientos vi Índice General vii Índice de Tablas viii Índice de Figuras ix CAPÍTULO I. Introducción 1 CAPÍTULO II. Objetivos. 3 CAPÍTULO III. Marco Teórico. 5 3.1. Organización de la empresa. 5 3.2. Generalidades del proceso de inyección. 7 3.2.1. Variables generales del moldeo por inyección. 3.2.2. Ventajas y desventajas del moldeo por inyección frente a otros procesos convencionales de transformación de plásticos. 3.3. Espumas estructurales. 8 9 10 3.3.1. Clasificación de las espumas. 10 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. 3.4.1. Ventajas y desventajas del proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. 3.4.2. Aplicaciones del proceso. 12 13 14 3.5. Paletas plásticas. 14 3.6. Polietileno. 15 3.6.1. Polietileno de Alta Densidad (PEAD). 16 3.6.2. Polietileno de Baja Densidad (PEBD). 17 3.6.3. PEAD vs. PEBD. 17 3.7. Polipropileno. 18 3.7.1. Polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP). 3.8. Mezclas de Poliolefinas. 20 21 vii 3.9. Propiedades. 21 3.9.1. Indice de fluidez (M.F.I). 22 3.9.2. Resistencia a la flexión. 23 3.9.3. Resistencia al impacto. 24 3.9.4. Temperatura de deflexión. 26 3.9.5. Temperatura de fragilización. 27 3.10. Antecedentes. 28 CAPITULO IV. Procedimiento Experimental. 30 4.1. Materiales. 30 4.2. Equipos. 32 4.3. Metodología. 33 4.3.1. Flexión a nivel de laboratorio. 33 4.3.2. Propiedades eléctricas. 34 4.3.3. Índice de fluidez (M.F.I). 34 4.3.4. Temperatura máxima de uso. (Ensayo de Temperatura de Deflexión.) 35 4.3.5. Temperatura mínima de uso. (Ensayo de impacto a bajas temperaturas.) 35 4.3.6. Flexión a nivel de planta. (Paleta extrafuerte ERB-0020.) 36 CAPITULO V. Resultados y Discusiones 38 5.1. Caracterización de la formulación estándar utilizada en la elaboración de paletas. 38 5.2. Efecto del porcentaje de material recuperado en la formulación de los productos 42 elaborados en PEAD. 5.3. Comportamiento de los materiales alternativos propuestos. 45 5.4 Análisis de costo. 49 CAPITULO VI. Conclusiones y Recomendaciones 51 6.1. Conclusiones. 51 6.2. Recomendaciones. 53 BIBLIOGRAFÍA 54 APÉNDICE 57 viii INDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Correlaciones entre algunas propiedades de diferentes polietilenos. 18 Tabla 4.1. Propiedades del PEAD 2908 APUV puro. 30 Tabla 4.2. Propiedades del PP J440 puro. 31 Tabla 4.3. Especificaciones técnicas de la Paleta de código ERB-0020. 31 Tabla 4.4. Parámetros de ensayo de las probetas. 33 Tabla 4.5. Condiciones de ensayo para propiedades eléctricas. 34 Tabla 4.6. Parámetros de ensayo del ensayo de índice de flujo. 34 Tabla 4.7. Medio empleado para cada una de las formulaciones. 35 Tabla 4.8. Condiciones de carga para los ensayos de flexión. 37 Tabla 5.1. Propiedades de los productos de formulación estándar en PEAD. 39 Tabla 5.2. Temperatura de deflexión para diferentes formulaciones de PEAD. 42 Tabla 5.3. Temperatura de deflexión de los materiales escogidos para la elaboración de las paletas. Tabla 5.4. Resistencia a la flexión a nivel de laboratorio de los materiales escogidos para la elaboración de las paletas. 45 47 Tabla 5.5. Deformación bajo flexión de la ERB-0020 elaborada en diferentes materiales. 48 Tabla B.3.1. Tiempos requeridos para cada temperatura de ensayo. 69 Tabla D.1.1. Masas de cada corte hecho a cada una de las muestras ensayadas. 75 ix INDICE DE FIGURAS Figura 3.1. Organigrama de la empresa. 6 Figura 3.2. Mapa de Procesos del área de Ventas de Uniplast, C.A. 7 Figura 3.3. Esquema de una máquina de inyección convencional. 8 Figura 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. 13 Figura 3.5. Plastómetro. 23 Figura 3.6. Disposición de la probeta en un ensayo de flexión. 24 Figura 3.7. Montaje para flexión en un equipo de ensayos universales. 24 Figura 3.8. Configuraciones en prueba de impacto. (a) Charpy. (b) Izod. 25 Figura 3.9. Impactómetro. 26 Figura 3.10. Equipo utilizado para medir temperatura de deflexión. 27 Figura 4.1. Carga máxima y de referencia en una paleta elaborada en PEAD 100/0. 37 Figura 5.1. Fractura de paletas a bajas temperaturas en Rack Tipo Túnel. 38 Figura 5.2. Gráfico de Resistencia al Impacto vs. Temperatura para el PEAD 80/20. 41 Figura 5.3. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes formulaciones de PEAD. 43 Figura 5.4. Espumado de PEAD 100/0 (azules) y PEAD 80/20 (negras). 44 Figura 5.5. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes materiales. 46 Figura 5.6. Imágenes representativas de la inmiscibilidad de la mezcla. 48 Figura 5.7. Relación porcentual de costo. 50 Figura A.2.1. Gráfico ejemplo de Fuerza [N] vs. Extensión [mm]. 61 Figura A.2.2. Gráfico ejemplo de Esfuerzo [MPa] vs. Deformación [%]. 62 Figura B.1.1. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 80/20. 66 Figura B.1.2. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 60/40. 66 Figura B.1.3. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 100/0. 67 Figura B.1.4. Curvas obtenidas para el ajuste de PP de formulación 100/0. 67 Figura B.1.5. Curvas obtenidas para el ajuste de la mezcla de formulación 50/50. 68 x CAPITULO I INTRODUCCIÓN. Industrias Uniplásticas C.A., UNIPLAST es una empresa que fue fundada en el mes de abril de 1.968, ubicada en Guatire, Edo. Miranda. Se dedica al diseño, fabricación y comercialización de productos plásticos, dirigidos a los sectores industrial, agroindustrial, construcción y de servicios; para lo cual cuenta con capital 100% venezolano. Los productos son elaborados en Polietileno de Alta Densidad (PEAD) virgen y recuperado, junto a un aditivo anti-UV y un colorante. Además, sustituyen a la madera contribuyendo con la disminución de la tala de árboles. Los productos se elaboran mediante el proceso de inyección de espuma estructural a baja presión usando como agente espumante (físico) el nitrógeno. La misión de la empresa es diseñar, fabricar y comercializar productos plásticos de alta calidad, garantizando la satisfacción del cliente tanto interna como externa y su visión es mantener el liderazgo de productos plásticos en espuma estructural a nivel de Suramérica, adaptándose a las necesidades del mercado mediante el desarrollo de nuevas tecnologías, procedimientos y estrategias de comercialización. Entre los productos que se elaboran en la empresa se tienen cestas, bateas, bandejas, tanques, cajas, pisos avícolas y porcinos, formaletas, marcos de flejado, paletas de varios tipos y sus complementos, entre otros. En particular, las paletas han sustituido a las elaboradas con madera desde hace décadas. Todos estos productos proporcionan beneficios como el ser 100% reciclables; no requieren fumigación, es decir, no generan un gasto adicional ni riesgo de contaminación del material o del personal, no se oxidan, pudren ni absorben humedad; pueden ser lavados, esterilizados y/o congelados. Además, se pueden almacenar y utilizar a la intemperie, 1 marcar o troquelar para control de inventario e identificación y evitan el peligro de lesionar al personal con clavos y/o astillas si se comparan con sus homólogos de madera. A medida que pasa el tiempo es necesaria la obtención de productos de menor peso y por lo tanto, menor costo y con los productos espumados estos dos requerimientos se hacen presentes, pues su fabricación requiere menor cantidad de material y esto se traduce en una disminución del costo de cada uno de ellos sin alterar sus propiedades. Sin embargo, eventualmente surgen necesidades que los productos actuales no pueden satisfacer. La empresa cuenta con una amplia gama de clientes tanto del sector industrial como el de construcción. Algunos de ellos se están viendo en la necesidad de utilizar los productos en condiciones críticas de temperatura bajo las cuales el material no ha sido caracterizado, por lo que se han reportado fallas en los productos. A bajas temperaturas, se ha presentado la fractura de paletas bajo flexión tipo Túnel y a altas temperaturas, el reblandecimiento de cestas dispuestas bajo ningún esfuerzo mecánico crítico. Según estudios previos de la empresa, los rangos permisibles tanto a bajas como a altas temperaturas son muy amplios (-50 a -20°C y 60°C a 80°C), teniendo como valores aproximados y no garantizados -25°C y 65°C, respectivamente. Es por ello que la realización del presente estudio se hace necesaria, pues se busca determinar con precisión estos valores y la alternativa de elaborar los productos con otro material que resulte atractivo tanto para los requerimientos y necesidades de los clientes, como para la empresa. Para ello se escogieron como materiales alternativos un Polipropileno copolímero de etileno-propileno y una mezcla de Polietileno de Alta Densidad con este último. 2 CAPITULO II OBJETIVOS 2.1. Objetivo general. Determinar con precisión las especificaciones técnicas del material empleado por la empresa en su formulación estándar (80% material virgen y 20% material recuperado) para la elaboración de las paletas en cuanto a propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas a fin de garantizarle al cliente valores admisibles de cada una de ellas y buscar una formulación y/o un material alternativo que lo supere en temperatura mínima y/o máxima de uso. 2.2. Objetivos específicos. - Analizar la técnica de procesamiento mediante la cual se elaboran las paletas en la empresa Uniplast, C.A. - Evaluar las temperaturas máxima y mínima de uso de la formulación estándar de los productos Uniplast C.A. a partir de muestras representativas de los mismos. - Evaluar el comportamiento en flexión a nivel de laboratorio de probetas mecanizadas a partir de paletas Uniplast C.A. elaboradas en formulación estándar. - Evaluar el comportamiento eléctrico de muestras tomadas a partir de paletas elaboradas con la formulación estándar. - Evaluar el comportamiento en flexión a nivel de planta según la certificación de FONDONORMA de un producto específico al cual se le quiera ampliar su rango térmico de uso (Paleta extrafuerte de código EEA-0020) elaborado con la formulación estándar. 3 - Indagar entre diferentes formulaciones y materiales con los cuales puedan ser elaborados los diferentes productos y seleccionar uno o varios de ellos. - Realizar pruebas piloto con la formulación y/o el(los) material(es) alternativo(s) seleccionado(s) para evaluar temperatura máxima y mínima de uso, además del comportamiento en flexión del producto escogido según la certificación de la marca FONDONORMA. - Determinar la posibilidad de utilización del material y/o formulación seleccionado(s) para la fabricación y comercialización de los productos elaborados con el(los) mismo(s), a través del mejoramiento de las condiciones deseadas, el mantenimiento de las propiedades actuales y un análisis de costos. 4 CAPITULO III MARCO TEÓRICO 3.1. Organización de la empresa. El organigrama empresarial es la representación gráfica de la estructura organizativa de una empresa. Todo organigrama debe de ser flexible y adaptable, de forma que si hay cambios en la empresa, este organigrama se pueda adaptar, por ejemplo, para que se pueda incluir un nuevo puesto o servicio. Además, debe ajustarse a la realidad, ser claro, preciso y comprensible para las personas a las que se debe informar. La estructura de una organización es como una red de comunicación a través de la cual se transmite información y puede darse en dos sentidos, vertical y horizontal. En el caso de Uniplast, C.A. esta comunicación va en sentido vertical, entre rangos diferentes. Está encabezada por una Junta Directiva apoyada por una Gerencia General que dirige a las diferentes divisiones de la empresa. A continuación en la Figura 3.1. se muestra el organigrama de Industrias Uniplásticas, C.A y en la Figura 3.2. el esquema general empleado para la comercialización de sus productos. 5 Junta Directiva Gerencia General Recepcionista Asesor de Planta Mensajero Jefe de Mantenimiento Asistente de Mantenimiento Gerencia de Comercialización Gerente de Sector Industrial Servicios Generales Gerente de Sector Agroindustrial Mecánicos Electricistas Gerente de Sector Construcción Coordinador de RRHH. Gerencia de Finanzas Asistente de RRHH Coordinador de Sistemas Gerente de Administración. Gerente de Producción Coord. de Compras Asistentes Contables Jefe de Producción Jefe de Almacén de Productos Terminados Asistente de Producción Gerente de Proyectos Figura 3.1. Organigrama de la empresa Uniplast, C.A. 6 CLIENTE Comercialización NO SI ¿Inventario de productos? 2 ¿Nuevo producto? NO SI 2 Diseño de pieza y molde Plan de Producción Taller De Moldes SI ¿Existe materia prima? Prueba del molde y de la pieza NO Administración ¿Resultado de pruebas? Recepción de Materia Prima SI NO 1 Revisar y reparar fallas Molido y Mezclado de materia prima Molde listo 2 Producción ¿Producto Conforme? SI NO 1 Producto Terminado Despacho CLIENTE Figura 3. 2. Mapa de Procesos del área de Ventas de Uniplast, C.A. 3.2. Generalidades del proceso de inyección. El moldeo por inyección constituye uno de los principales procedimientos para convertir plásticos en productos útiles. La lista de objetos cotidianos que se obtienen por moldeo por inyección es infinita: aparatos de televisión y video, pantallas de computadoras, discos compactos 7 y equipos de lectores, anteojos, cepillos de dientes, piezas de automóvil, calzado deportivo, bolígrafos, muebles de oficina, etc(1). El moldeo por inyección es apropiado para todos los termoplásticos con la excepción del politetrafluoroetileno (PTFE), las poliimidas, algunos poliésteres aromáticos y ciertos polímeros especiales. Durante el proceso, los materiales granulados absorben suficiente calor para facilitar su “fluidez”, lo que permite la inyección del plástico caliente en un molde cerrado, en el que se crea la forma deseada. Cuando se enfría, se extraen las piezas del molde con un sistema de expulsión(1). A continuación en la Figura 3.3. se presenta un esquema simplificado de una máquina de inyección. Figura 3.3. Esquema de una máquina de inyección convencional(1). 3.2.1. Variables generales del moldeo por inyección. Existen cinco variables fundamentales en el proceso de moldeo por inyección de las cuales dependen tanto la calidad del artículo moldeado como la eficiencia de la producción del mismo. Estas variables son (1): 8 - Temperaturas - Presiones - Tiempos - Recorridos - Velocidades La mayoría de las dificultades que se presentan durante el ciclo de moldeo se corrigen ajustando estos cinco parámetros, para así lograr un ciclo eficiente, el cual se define como el ciclo que permite obtener una pieza con la calidad deseada, en el menor tiempo posible, con el menor desgaste del equipo y el menor consumo de energía(1). 3.2.2. Ventajas y desventajas del moldeo por inyección frente a otros procesos convencionales de transformación de plásticos. Comparado con otros procesos de transformación de plásticos, el moldeo por inyección conlleva aspectos tanto favorables como desfavorables. Las piezas pueden producirse a altas velocidades permitiendo alcanzar altos volúmenes de producción y el costo del operario por unidad es relativamente bajo, sobre todo en procesos automatizados. Además, las piezas requieren poco o ningún acabado y se pueden elaborar objetos que serían casi imposibles de fabricar en gran cantidad por otros métodos, ya que se obtienen diferentes tipos de superficies, acabados y colores con el moldeo de diferentes materiales(2). Por otro lado, presenta aspectos desfavorables como los costos de los moldes y el equipo, los cuales resultan relativamente altos; el proceso es susceptible a los rendimientos del operario en máquinas manuales y semiautomáticas, además del hecho de que la calidad de la pieza es difícil de determinar inmediatamente(2). 9 3.3. Espumas estructurales. Una espuma de polímero es una mezcla de polímero y gas que da al material una estructura celular porosa. Otros términos que se usan para las espumas de polímeros incluyen polímero celular y polímero expandido. Las propiedades características de los polímeros espumados son baja densidad, alta resistencia por unidad de peso, buen aislamiento térmico y buena calidad de absorción de energía. La elasticidad del polímero base determina la correspondiente propiedad de la espuma(3). El consumo de materiales poliméricos, mejor conocidos como plásticos, ha ido en aumento desde los inicios del siglo XX. Sin embargo, en los últimos veinticinco (25) años el uso de los materiales espumados se ha incrementado considerablemente. La aplicación de las espumas comenzó por su capacidad de flotación y luego en el empaquetado de materiales en 1970. Hoy en día, muchas otras aplicaciones han venido surgiendo en el área de construcción, la automotriz, los deportes, la electrónica, entre otros. Actualmente, los países desarrollados demandan mejor calidad de vida, lo que abre una serie de oportunidades para la creación de nuevos productos para su introducción al mercado; siendo las espumas poliméricas la primera opción para cubrir esta necesidad debido a sus propiedades únicas. Es justo decir que incluso cuando las espumas poliméricas no son de carácter vital, están convirtiéndose en indispensables para enriquecer el nivel de vida actual(4). 3.3.1. Clasificación de las espumas. Las espumas de polímero se pueden clasificar como elastómericas y flexibles, donde la matriz es un polímero altamente plastificado como el PVC suave, y rígidas, en las cuales el polímero es un termoplástico como el polietileno o un polímero termoestable como un fenólico. Dependiendo de la formulación química y del grado de entrecruzamiento, el PU (Poliuretano) puede entrar en alguna de estas tres categorías(3). 10 En general, las espumas flexibles de PU hechas con polioles de cadenas cortas y pocos grupos funcionales muestran excelentes características elásticas y de deformación adecuadas para la elaboración de asientos, mangueras flexibles, embalaje, artículos deportivos y de recreación, etc. Al aumentar la densidad se logran las espumas rígidas de PU las cuales muestran altos módulos en propiedades mecánicas, aislamiento térmico y estabilidad por lo que encuentran su aplicación en el área de construcción, automotriz, puertas de neveras, carcasas de monitores, etc. Por otro lado, las espumas semirígidas de PU son hechas con copolímero de poliol y presentan un incremento del grado de entrecruzamiento, lo que aumenta la dureza y la capacidad de disipación de energía. Sin embargo, al someterlas a impactos fuertes tienden a deformarse permanentemente. Por su parte, las espumas de Poliestireno (PS) tienen su atractivo por la baja temperatura de transición vítrea del PS debido a su estructura amorfa y la capacidad de ser procesadas tanto por un espumado continuo como en uno de varias etapas. Entre las propiedades que presentan estas espumas se tienen: baja densidad, rigidez y alto módulo de flexión a temperatura ambiente en comparación con otros termoplásticos. Una de las más importantes aplicaciones de estas espumas es en la industria del embalaje, pues aunque el PS por sí solo es bastante rígido después de una cierta expansión, la pared celular es lo suficientemente delgada y adecuada para esta área. Las espumas a base de poliolefinas pueden consistir de Polietileno (PE), PE entrecruzado y Polipropileno (PP). A diferencia de las espumas de PS, las espumas de PE generalmente son suaves, tienen mayor elasticidad y poseen una buena resistencia química. Espumas de baja densidad con un volumen de expansión alto se producen con PE de baja densidad (PEBD), el cual es conocido por su capacidad de endurecimiento por deformación. En general, para el PE cuando la densidad de las piezas espumadas aumenta, también lo hace su capacidad de soportar esfuerzos lo que conduce a aplicaciones en el sector de transporte de cargas pesadas. 11 Por otro lado, el entrecruzamiento mejora la resistencia de la estructura del polímero, lo que permite una pared celular delgada y una distribución de las celdas más fina. Como resultado de esto, las espumas de PE entrecruzado son suaves, tienen la capacidad de endurecerse por deformación y otras propiedades ventajosas como una recuperación elástica. De esta manera, encuentran su lugar en aplicaciones donde las espumas de PE sin entrecruzar no lo tienen. Entre ellas se tienen las suelas de zapatos y el aislamiento de tuberías. Sin embargo, con el PP se pueden obtener espumas tanto de baja como de media densidad con aplicaciones en las áreas de embalaje y de construcción. Otras resinas cuyas espumas tienen aplicaciones en la industria son el Polietilentereftalato (PET), el PVC, algunas resinas epoxídicas, siliconas, etc. 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. El moldeo de espumas estructurales es una variación del proceso convencional de moldeo por inyección mediante el cual pueden ser producidos diferentes componentes o piezas, que poseen una superficie externa sólida rodeando a un corazón de estructura celular con una relación resistencia/peso que puede ser utilizada en diversas aplicaciones sometidas a condiciones de carga. El corazón se forma mediante la introducción directa de un gas inerte (usualmente nitrógeno, agente espumante físico) en el material fundido, o mediante la generación de un gas proveniente de agentes espumantes químicos que son agregados a la resina en sí. En este proceso, es necesario que el molde sea parcialmente llenado durante la inyección, ya que el fundido se expande por la acción de la presión que ejerce el gas introducido o generado llenando así por completo a la cavidad. Un ejemplo de gas introducido es el nitrógeno, el cual para ser utilizado requiere de un equipo adicional (acumulador) que mantiene la mezcla de gas y material bajo presión antes de ser inyectada al molde. En el caso de gases generados, estos son producto de agentes espumantes químicos, los cuales son previamente mezclados de forma mecánica con la resina antes de alimentar la máquina de inyección(5). A continuación en la Figura 3.4. se muestra un esquema del proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. 12 Figura 3.4. Proceso de inyección de espuma estructural a baja presión(4). Existe una gran variedad de materiales que pueden ser utilizados para elaborar productos mediante inyección de espuma estructural a baja presión. Entre ellos los más comunes son el PEAD (Polietileno de Alta Densidad) y el PEBD (Polietileno de Baja Densidad) debido a su bajo costo, facilidad de procesamiento, resistencia química y su resistencia al impacto a bajas temperaturas. Por otro lado, el PP (Polipropileno) ofrece rigidez y resistencia térmica; además de su capacidad de aceptar rellenos y cargas que aumentan aún más estas dos últimas, resultando en un material de bajo costo con un amplio perfil de propiedades para la elaboración de productos en espuma estructural. También pueden utilizarse otros materiales como el PS (Poliestireno), el PSAI (Poliestireno de Alto Impacto), el PC (Policarbonato), entre otros, pero requieren el uso de un agente espumante de carácter químico. (5) 3.4.1. Ventajas y desventajas del proceso de inyección de espuma estructural a baja presión. Entre las ventajas que ofrece este proceso se tiene la capacidad de lograr piezas con amplias áreas superficiales, así como también menores requerimientos en cuanto a la fuerza de cierre de la máquina en el molde (medida de la capacidad del equipo), pues en la inyección convencional se requiere una fuerza de cierre aproximadamente diez (10) veces mayor que la necesaria en el proceso de inyección de espuma estructural y con la reducción de las presiones es posible abaratar los costos que implica la producción, los requerimientos de fuerza en la prensa de la máquina y emplear moldes más baratos, incluso de aluminio(6). 13 Por otro lado, se sabe que para un proceso de inyección convencional los grandes espesores limitan el enfriamiento de la pieza, por esto la inyección de espuma estructural es una opción ideal para el moldeo de piezas grandes con secciones gruesas y tiempos de ciclo mayores de sesenta (60) segundos. Por otro lado, es posible obtener piezas con características rígidas, durables y con la misma resistencia mecánica que con el plástico inyectado de forma sólida, pero con un ahorro de resina de entre 15 y 30% (dependiendo de la pieza a inyectar); o incluso también se puede producir una pieza con resistencia mayor a la obtenida por inyección convencional(6). Una desventaja del proceso de inyección de espuma estructural es que la superficie de los productos tiende a ser rugosa. Si la aplicación necesita un buen acabado de la superficie se requiere un procesamiento adicional como lijado y pintura o la adhesión de una chapa(6). 3.4.2. Aplicaciones del proceso. Entre las aplicaciones que se obtienen de este proceso en base a las características de las espumas y la disposición de controlar su comportamiento elástico, mediante una buena selección de polímero base, se tienen recipientes para bebidas calientes, materiales estructurales aislantes del calor y núcleos de paneles estructurales, materiales de empaque y almacenaje, materiales para acolchonar muebles, camas y tableros para automóviles, productos que requieren flotabilidad, equipos de oficina, elementos recreativos, tableros de baloncesto, juguetes, deslizadores y elementos de construcción como puertas, formaletas, ventanas, bases para equipos de aire acondicionado, ensambles para la construcción de piscinas desarmables, paletas y otros(3). 3.5. Paletas plásticas. En su mayoría las paletas se fabrican con maderas de múltiples calidades, formatos y con la capacidad de ser reutilizables. Sin embargo, a través del tiempo han surgido otros materiales que 14 han desplazado a la madera en ciertas aplicaciones, ya sea por características sanitarias, de peso, costo, durabilidad, resistencia al frío, etc. Así, se pueden ver plataformas realizadas en metales (aluminio, acero, chapa de hierro), cartón corrugado y en plásticos diversos (inyectados, espumados, soplados, de moldeo rotacional, de lámina termoformada, extrudados macizos, de compresión de residuos plásticos, etc.)(7). En el caso específico de las paletas plásticas, su presencia en el mercado total de las paletas está aumentando cada vez más, por lo que puede decirse que se fabrica una cifra significativa de ellas al año. Este aumento se ha logrado debido a que satisfacen necesidades de algunas industrias donde las fabricadas en madera no logran hacerlo ya sea por razones sanitarias, de higiene y contaminación, por uso en áreas de alta humedad o que se requiera limpieza constante con productos cáusticos, vapor o detergentes especiales, por la necesidad de uso en cámaras de frío, por la posibilidad de optimizar el espacio en contenedores aéreos y marítimos, más la reducción del peso de la paleta y de la carga total, por razones de resistencia a agentes químicos, por necesidad de dimensiones constantes, entre otros(7). Debido a que se utilizan para la movilización y almacenamiento de mercancía, los requerimientos básicos de una paleta son el peso, las dimensiones, la cantidad de entradas para montacargas y su capacidad de carga ya sea en condición estática, dinámica, en estantería convencional y/o tipo túnel (estantería donde la paleta se encuentra apoyada en dos barras, quedando sometida a flexión en tres puntos)(8). 3.6. Polietileno. Los polietilenos son termoplásticos muy versátiles que se han ganado un sinfín de usos en muchas áreas de aplicación, particularmente en películas y en el moldeo por inyección. Se han convertido en importantes polímeros olefínicos que cada año van alcanzando un crecimiento más significativo. La combinación de propiedades útiles, fabricación fácil y buenos aspectos económicos ha originado que se les considere como materiales comerciales. Son resinas termoplásticas producidas mediante procesos a alta y baja presión en los que se usan varios sistemas catalíticos complejos. Como resultado, se obtienen varias familias de polietilenos (de 15 baja densidad, linal de baja densidad y de alta densidad), cada uno con características muy diferentes de comportamiento y cualidades técnicas. En general, todos los polietilenos poseen propiedades eléctricas excelentes, una resistencia inmejorable a los disolventes orgánicos y a compuestos químicos. Son materiales translúcidos, de peso ligero, resistentes y flexibles(9). La densidad de los polietilenos comerciales varía de 0,890 a 0,970 g/cm3 dependiendo del contenido de ramificaciones, lo que a su vez tiene gran influencia en la distribución de pesos moleculares, razón por la cual, los polietilenos no fluyen a una temperatura específica, sino que tienen un rango de fusión. Así, el índice de fluidez (M.F.I.) depende del peso molecular, su distribución, el grado de ramificaciones y otros parámetros moleculares(10). 3.6.1. Polietileno de Alta Densidad (PEAD). En el caso de los polietilenos de peso molecular promedio, la densidad del homopolímero PEAD se fija en 0,960−0,965 g/cm3, dependiendo del proceso de manufactura. Sin embargo, el PEAD abarca el intervalo de densidades de 0,941 a 0,967 g/cm3 por el uso de copolímeros que añaden ramificaciones laterales, reduciendo así la densidad. La densidad del PEAD se controla en el proceso de manufactura mediante la cantidad de comonómero añadido al reactor(9). El Polietileno de Alta Densidad es más rígido que los materiales de baja densidad con un peso molecular inferior a los 300.000 g/mol, cuenta con una alta resistencia a la tracción, a la compresión y cumple con los requisitos de la FDA (U.S. Food and Drugs Administration) para entrar en contacto directo con alimentos, incluyendo aplicaciones de cocción. Por otro lado, el PEAD tiene una excepcional resistencia al impacto siendo uno de los mejores termoplásticos existentes en lo que a esta propiedad se refiere(11). 16 Por otro lado, sus propiedades se mantienen incluso a temperaturas extremadamente bajas. El PEAD tiene resistencia al agrietamiento en medios químicamente activos (stress cracking resistance) y una muy buena resistencia química a medios corrosivos (con la excepción de ácidos oxidantes fuertes a elevadas temperaturas). Por otro lado, ni la humedad ni el agua (incluyendo el agua salada) lo afecta(11). 3.6.2. Polietileno de Baja Densidad (PEBD). El Polietileno de Baja Densidad (PEBD) es un sólido más o menos flexible según el grosor, ligero y buen aislante eléctrico. Se trata de un material plástico que por sus características y bajo coste se utiliza mucho en envasado, revestimiento de cables y en la fabricación de tuberías. Abarca densidades entre los 0,910 y los 0,930 g/cm3, tiene un buen equilibrio entre propiedades mecánicas y ópticas, además de una buena procesabilidad y bajo costo. (12) Además, puede ser fabricado mediante diferentes técnicas para una gran variedad de aplicaciones. Las propiedades de interés que lo caracterizan incluyen claridad óptica, flexibilidad, tenacidad, alta resistencia al impacto, baja temperatura de fragilización, buena resistencia química a solventes acuosos y buenas propiedades eléctricas. (12) 3.6.3. PEAD vs. PEBD. A continuación en la Tabla 3.1. se muestran las correlaciones entre algunas propiedades de diferentes polietilenos al incrementar la densidad. En comparación con el PEBD, el PEAD es más rígido, tiene mejor resistencia al bloqueo, mejor resistencia química, brillo, dureza, conductividad térmica y resistencia a la tracción, etc. Sin embargo, el PEBD es superior en cuanto a temperatura de fragilización, resistencia al impacto, permeabilidad, transparencia y elongación a la ruptura, entre otros(11). 17 Tabla 3.1. Correlaciones entre algunas propiedades de diferentes polietilenos(11). Propiedad Aumento de la densidad Resistencia a la abrasión + Propiedades de barrera + Resistencia al bloqueo + Temperatura de fragilización - Resistencia química + Brillo + Dureza + Resistencia al impacto - Permeabilidad - Rigidez + Resistencia a tracción + Elongación a la ruptura - Conductividad eléctrica - Transparencia - (+) Aumenta. (-) Disminuye. 3.7. Polipropileno. El polipropileno (PP) es un termoplástico que puede categorizarse ampliamente como homopolímero o como copolímero. El homopolímero polipropileno tiene una dureza y una resistencia térmica superiores a las del PEAD, pero una resistencia al impacto inferior y se vuelve quebradizo por debajo de ~0°C. Como copolímero, posee otro monómero olefínico que generalmente es el etileno, que actúa mejorando la resistencia al impacto u otras propiedades, por lo tanto, es preferido para aplicaciones que se exponen a condiciones de frío/invierno. Además tienden a ser más difíciles de fabricar, pero la nueva tecnología se ha ido encargando de que esto desaparezca y no se convierta en un gran problema. Para los copolímeros, las aplicaciones se dan en tubos, casco de barcos, asientos y piezas para el automóvil, por ejemplo, cajas de baterías y 18 parachoques aunque estos últimos suelen ser fabricados con polipropilenos modificados con elastómeros. Por su estructura, al pasar del polietileno al PP la sustitución de un grupo metilo cada dos átomos de carbono de la cadena polimétrica principal restringe la rotación de las otras cadenas, produciendo así un material más duro y menos flexible. Es más traslúcido que el PEAD, a veces más que el PEBD y la amplia gama de propiedades que posee lo hace adecuado para una gran variabilidad de aplicaciones en diferentes sectores. Por contener el grupo metilo aumenta la temperatura de transición vítrea y tiene temperaturas de fusión y de deformación por calor mayores a las del polietileno. Por pertenecer, como se dijo anteriormente al grupo de los termoplásticos, el PP posee la capacidad de fundirse a una temperatura determinada, además posee un comportamiento viscoelástico que proporciona ante los ensayos de tracción, compresión, flexión y torsión, resultados satisfactorios. Entre sus propiedades físicas se destacan una densidad comprendida entre 0,90 y 0,93 g/cm3, la cual permite la fabricación de productos ligeros. Es un material más rígido que la mayoría de los termoplásticos, resiste hasta los 70°C bajo carga sin deformarse, posee una gran capacidad de recuperación elástica, tiene una excelente compatibilidad con el medio y es fácil de reciclar. En cuanto a sus propiedades mecánicas posee alta resistencia al impacto, puede utilizarse en calidad de material para elementos deslizantes no lubricados, tiene buena resistencia superficial, dureza superficial y estabilidad dimensional. Entre las propiedades químicas están su naturaleza apolar, por lo que posee gran resistencia a agentes químicos, presenta poca absorción de agua, gran resistencia a soluciones detergentes comerciales, pero una resistencia débil a los rayos UV (salvo estabilización o protección previa). 19 Así mismo, el PP es el tercer plástico más importante desde el punto de vista de las ventas y es uno de los de más bajo costo puesto que puede sintetizarse a partir de materiales petroquímicos que a su vez son más económicos. Tiene además un buen equilibrio de propiedades interesantes para producir muchos productos manufacturados; no se oxida, ni se deteriora, reduce la permeabilidad, tiene alta resistencia a los ambientes alcalinos y ácidos y posee buena tenacidad. Por todo esto, el polipropileno es considerado uno de los plásticos más competitivos hoy en día(13). Los diferentes procesos mediante los cuales se puede transformar el PP son fundamentalmente inyección, extrusión, moldeo por soplado y calandrado. Es apto para el termoformado y el conformado en frío. Además, por su alta resistencia a la deformación por calor, es utilizado como material de protección y refuerzo en el transporte de mercancías. Entre las ventajas que tiene el polipropileno están su peso reducido, el precio, la facilidad de conformación y muchas otras que han establecido el uso del polipropileno para diversas aplicaciones de nuestros tiempos. (13) 3.7.1. Polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP). El polipropileno copolímero de etileno-propileno (PP-EP) está disponible principalmente en dos formas, al azar y en bloque. La razón de ser de este copolímero es que posee buenas propiedades de impacto a bajas temperaturas, así como la fase amorfa del PP cristalino. La copolimerización al azar del polipropileno con 20% en peso de α-olefinas o más, permite obtener un polímero más duro con una densidad de 0,86 g/cm3 y un significativo incremento de las propiedades reológicas y a bajas temperaturas. En comparación con el PP homopolímero, el PPEP en bloque exhibe menor densidad, menor temperatura de fragilización, mayor resistencia al impacto, mayor tenacidad y menor sensibilidad a entalla(10). 20 3.8. Mezclas de Poliolefinas. Las mezclas de poliolefinas consisten en la unión de homopolímeros, copolímeros, terpolímeros y similares de estructura diferente. En el caso de los copolímeros, terpolímeros y similares, estos pueden ser al azar, alternados, en bloque, en forma de estrella, etc. La importancia de mezclar polímeros consiste en la relación costo-desempeño que se obtiene. Un polímero costoso cuyas propiedades son mayores a las que se necesitan para una cierta aplicación puede ser mezclado con uno de menor costo cuyas propiedades son tales que hacen que la mezcla tome una relación costo-desempeño atractiva para dicha aplicación. Así, el desempeño requerido por esta última se satisface con la mezcla de polímeros comerciales sin la necesidad de desarrollar un nuevo material o invertir en una nueva planta(10). Las poliolefinas constituyen el grupo más grande de entre los termoplásticos comerciales, teniendo en cuenta el volumen de uso de los mismos a nivel mundial. La familia de las poliolefinas está constituida por los polietilenos (de alta, baja y lineal de baja densidad), el polipropileno, los copolímeros de etileno-propileno en bloque y al azar, los copolímeros de etileno con comonómeros diversos tales como acrilato de etilo, ácido acrílico, ácido metacrílico y los ionómeros, etc. Entre ellos, los polietilenos y el polipropileno son los más utilizados. Aunque suelen ser inmiscibles entre sí, existe cierto grado de compatibilidad mutua entre las poliolefinas. La similitud de sus cadenas de hidrocarburos y la cercanía de sus parámetros de solubilidad, aunque no suficiente para la miscibilidad, dan lugar a un grado relativamente bajo de tensión superficial que permite la mezcla de las mismas. En general, poliolefinas cristalinas como el PEAD y el PP se han mezclado con poliolefinas como PEBD, copolímero etileno-propileno y poliisobutileno con el fin de incrementar su resistencia(15). 3.9. Propiedades. En el caso de un material específico y su aplicación, no habría razón de continuar con la determinación de sus propiedades si no fuera por el hecho desafortunado de que 21 todos los hombres y las máquinas están sujetos a cometer errores por una gran variedad de razones. Es por eso que surge la necesidad de ensayar rutinariamente con la finalidad de detectar desviaciones a modo de control de calidad del material y su aplicación. Para un nuevo material o una nueva aplicación, es prudente determinar su desempeño antes de ser entregado al cliente, pues éste busca cumpla con ciertos requerimientos. De esta manera, se hace necesaria la determinación de los mismos y para ello existe una gran cantidad de ensayos que permiten determinar el desempeño requerido. (14) 3.9.1. Indice de fluidez (M.F.I). La viscosidad y las propiedades de flujo afectan tanto al tratamiento de los plásticos como al diseño de los moldes. La viscosidad en fundido proporciona datos de mayor precisión, pero son más habituales los valores del índice de fluidez, ya que las pruebas para su determinación requieren poco tiempo(1). El índice de fluidez es una medida de la cantidad de material en gramos extruida a través de un pequeño orificio en 10 minutos a una presión y temperatura determinadas. El procedimiento de la norma ASTM (ASTM D-1238) especifica temperaturas de 190°C para el polietileno y 230°C para el polipropileno. Un valor alto de este índice indica un material de escasa viscosidad. Normalmente, los plásticos de viscosidad reducida tienen un peso molecular relativamente bajo. Por el contrario, los materiales de peso molecular alta son resistentes al flujo y presentan valores del índice de fluidez inferiores(1). En la Figura 3.5. se muestra un equipo de medida del índice de fluidez. 22 Figura 3.5. Plastómetro. 3.9.2. Resistencia a la flexión. La resistencia a la flexión mide la cantidad de tensión (carga) que se puede aplicar a un material sin que se rompa. Al doblar una muestra, participan tanto fuerzas de tracción como de compresión. Para medir la resistencia a la flexión según la norma ASTM (ASTM D-790), se sujeta la muestra sobre bloques de ensayo separados por una distancia que depende de las dimensiones del conjunto de probetas; luego la carga se aplica en el centro de las mismas (Figura 3.6.). Teniendo en cuenta que la mayoría de los plásticos no se rompen al someterlos a flexión, no es fácil determinar la resistencia a la flexión en la fractura. En el método ASTM, en la mayor parte de los termoplásticos y elastómeros, se mide al producirse un 5% de deformación en la muestras. La forma de hallarla consiste en medir la carga en pascales que hace que la muestra se estire un 5%(1). 23 Figura 3.6. Disposición de la probeta en un ensayo de flexión. En la Figura 3.7. se muestra un equipo de ensayos universales en configuración para medir resistencia a la flexión. Figura 3.7. Montaje para flexión en un equipo de ensayos universales. 3.9.3. Resistencia al impacto. La resistencia al impacto no es una medida del esfuerzo necesario para romper una muestra, sino que indica la energía absorbida por la muestra antes de su fractura. Existen dos métodos esenciales para determinar la resistencia al impacto: (A) Pruebas de caída de una masa y (B) pruebas de péndulo. 24 (A) Pruebas de caída de una masa (ASTM D-1709). Estas pruebas de caída de masa suponen el lanzamiento de una masa con forma de bola desde una altura determinada sobre una superficie plástica. Generalmente, esta prueba se aplica a los recipientes, los elementos de mesa y los cascos. Cuando se prueban películas, se usa un dardo romo en lugar de una masa más pesada. A veces se deja deslizar la muestra hasta una cubeta, donde es golpeada por un yunque de metal. Se puede repetir la prueba desde varias alturas. Si la muestra queda dañada, aparecerán en ella grietas, descascarillados u otro tipo de fracturas. Pruebas de péndulo (ASTM D-256). En las pruebas de péndulo se aplica la energía de un péndulo oscilante que golpea la muestra de plástico. El resultado es una medida de la energía o trabajo absorbido por la muestra. En el método Charpy, se sujeta la pieza por ambos extremos sin sostenerla por debajo. El péndulo golpea la muestra en su centro. En el método Izod, el péndulo golpea la pieza soportada en un extremo (Figura 3.8.). Las pruebas de impacto pueden especificar muestras entalladas o sin entallar. En el método Charpy, la entalla se sitúa en el lado opuesto al percutor, mientras que en el método Izod, se encuentra del mismo lado del percutor. En ambas, la profundidad y el radio de la entalla pueden alterar notablemente la resistencia al impacto, sobre todo si el polímero presenta sensibilidad al efecto de entalladura. Dado que para las medidas del impacto se debe considerar el grosor de la muestra, los valores de resistencia al impacto se expresan en julios por metro cuadrado (J/m2) o libras por pulgada de entalla(1). En la Figura 3.9. se muestra un equipo para ensayos de impacto. Figura 3.8. Configuraciones en prueba de impacto. (a) Charpy. (b) Izod. (1) 25 Figura 3.9. Impactómetro. 3.9.4. Temperatura de deflexión. La temperatura de deflexión (antes denominada termodistorsión) es la máxima temperatura continua de operación que puede soportar un material. Aunque, en general, los plásticos no se emplean en entornos de mucho calor, algunos fenólicos especiales se someten a temperaturas de hasta 2760°C. En la norma ASTM D-648, se coloca una pieza sobre soportes dispuestos a una distancia de 100 mm; a continuación se ejerce una presión sobre la muestra de 455-1.820kPa. Se eleva la temperatura 2°C por minuto y se registra el valor al que se flexiona la muestra de 0,25 mm como temperatura de deflexión(1). En la Figura 3.10. se muestra un equipo utilizado para medir temperatura de deflexión. 26 Figura 3.10. Equipo utilizado para medir temperatura de deflexión. 3.9.5. Temperatura de fragilización. Por regla general, los plásticos presentan una buena resistencia al frío. Los envases de alimentos hechos de polietileno soportan habitualmente temperaturas de -51°C. Algunos llegan a aguantar la temperatura extrema de -196°C con una pérdida mínima de sus propiedades físicas(1). La naturaleza viscoelástica de los plásticos hace que el efecto de la temperatura en ellos sea mucho más importante que para los materiales cerámicos y metálicos, ya que la disminución de la temperatura tiende a promover la aparición de la fractura frágil. Es por ello que se hace importante tener en cuenta el rango de temperatura que el material podría experimentar en servicio y llevar a cabo ensayos de impacto a lo largo de ese rango en la medida de lo posible. Cada polímero tiene sus características propias por lo que se deben considerar una serie de factores que afectan el proceso de la absorción de energía durante la prueba de impacto con la temperatura(14). 27 3.10. Antecedentes. Muchos autores han considerado que existe cierta relación entre la resistencia a corto plazo de los termoplásticos, a juzgar por su resistencia al impacto o por su temperatura de fragilización y sus módulos y procesos de pérdida de propiedades determinadas por ensayos dinámicomecánicos. Si existe una tendencia en la resistencia al impacto inversamente relacionada con una tendencia en el módulo dinámico, esto implica que el cambio en el comportamiento de impacto es causado por algún fenómeno de movilidad molecular o de segmentos de cadena. Por el contrario, si hay una tendencia en la resistencia al impacto, sin una tendencia relacionada en las propiedades dinámicas, esto indica que la causa es un cambio en la gravedad de los defectos estructurales o en algún factor que no afecta a la movilidad molecular. (16) Para obtener detalles cuantitativos, Vincent(16) realizó el análisis estadístico de los resultados obtenidos para veinte (20) termoplásticos a través de diferentes ensayos mecánicos, entre los cuales se estudió la resistencia al impacto utilizando el método Charpy a varias profundidades de entalla. Basado en el hecho de que el cambio más grande y más importante de resistencia al impacto con la temperatura se produce en el rango relativamente estrecho de temperatura donde el tipo de fractura cambia entre frágil y dúctil, donde bajo algunas condiciones este punto se encuentra cercano a un proceso de relajación, Vincent dio razones para creer que es útil medir la resistencia al impacto como función de la temperatura con la finalidad de predecir el desempeño en servicio de los materiales. Encontró que la resistencia a corto plazo de los termoplásticos se ve afectada por cambios en la movilidad molecular de dos maneras muy distintas, pues el 64% de la variación de la resistencia al impacto puede ser explicada por una variación en el módulo de dinámico y el resto por factores secundarios como los aditivos, los grupos laterales voluminosos y el peso molecular. Por otro lado, F. Ramsteiner et al.(17) estudiaron el incremento de la resistencia al impacto a bajas temperaturas del PP mediante su modificación con polietileno. Basándose en el hecho de 28 que el PP es un termoplástico con deficiencia en aplicaciones a bajas temperaturas, ya que su transición dúctil-frágil en resistencia al impacto corresponde con su temperatura de transición vítrea y que para mejorar la tenacidad es comúnmente modificado mediante la adición de partículas de caucho, consideraron dos materiales, una mezcla de copolímero de etileno-propileno con 20% de PEAD y un copolímero de etileno-propileno en bloque. Fracturar al PP puro a bajas temperaturas implica la formación de una grieta que termine en la fractura del material. La base de la mejora de la resistencia al impacto es poder controlar dicha fractura. Con este objetivo en mente, modificaron el PP preparando una mezcla de un copolímero de etileno-propileno con PEAD y polimerizándolo con PE. Para ambos materiales, el ensayo de impacto realizado según la norma ISO/R 179 reveló dos regiones donde se evidencia la movilidad de las moléculas en relación al PP homopolímero: un proceso de relajación alrededor de los -50°C atribuido al copolímero de etileno-propileno y otro a -130°C menos pronunciado para copolímeros, pero perteneciente al PP homopolímero. En ambos casos la transición dúctil-frágil fue desplazada a menores temperaturas, donde los procesos de relajación muestran una movilidad parcial de las moléculas incluso hasta los -40°C. Por otro lado, A. Hassan y B. Haworth(18) estudiaron el aumento de la resistencia al impacto de los plásticos a través de la introducción de una fase dispersa de goma, ya que es uno de los medios para desarrollar polímeros de alta resistencia al impacto y ha sido explotado comercialmente a gran escala. Basándose en el hecho de que el caucho endurecido de PVC o PVC de alto impacto es uno de los que ha sido más desarrollado y tiene una amplia gama de aplicaciones al modificarlo con distintos tipos de modificadores de impacto comúnmente utilizados para marcos de ventana como son el etileno clorado, el etileno-acetato de vinilo y los modificadores de acrilato, estudiaron el efecto de la temperatura sobre la resistencia al impacto en PVC de alto impacto modificado con acrilato mediante la prueba de impacto instrumentado por caída de peso. Los resultados muestran que las mezclas de PVC con modificadores de acrilatos desplazaron satisfactoriamente la temperatura de transición dúctil-frágil a menores temperaturas. 29 CAPÍTULO IV PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Materiales. - Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en PEAD Venelene ® 2908 APUV de composición 80% virgen, 20% recuperado y masterbatch con negro de humo (80/20) y 60% virgen, 40% recuperado y masterbatch con negro de humo (60/40).En la Tabla 4.1. se muestran las propiedades del PEAD 2908 APUV en estado puro. Tabla 4.1. Propiedades del PEAD 2908 APUV puro(11). Propiedades Índice de Fluidez (190°C/2,16Kg) Densidad Propiedades generales Módulo en flexión Esfuerzo en flexión al 5% de deformación Esfuerzo de fluencia en tensión Deformación en fluencia Esfuerzo de ruptura en tensión Deformación hasta ruptura Resistencia al impacto Gardner Temperatura VICAT Aditivos Antioxidantes Ayudante de procesamiento Estabilizantes UV 30 Unidades g/10min g/cm3 Valor 10,5 0,9600 Mpa 1000 MPa 26 MPa % MPa % KJ/m °C 27 18 23 >1200 9 129 Dosis estándar No contiene Dosis estándar - Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en Polipropileno copolímero ® Propilven J440 de composición 100% virgen. En la Tabla 4.2. se presentan las propiedades del PP J440 en estado puro. Tabla 4.2. Propiedades del PP J440 puro. (12) Propiedades Índice de Fluidez (190°C/2,16Kg) Propiedades generales Módulo en flexión Resistencia tensil a la ruptura Resistencia al impacto Izod Temperatura de deflexión (4,6 Kg/cm2) Unidades dg/min Valor 5,0 MPa MPa J/m °C 900 24 125 105 - Cortes varios de paletas Uniplast, C.A. elaboradas en una mezcla de PP Copolímero ® ® Propilven y PEAD Venelene 2908 APUV J440 bajo una formulación de 50% PP copolímero y 50% PEAD (50/50). - Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A. elaboradas en PEAD ® Venelene 2908 APUV. Composición de las paletas: 80/20. - Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A elaboradas en PP ® Propilven J440. Composición de las paletas: 100% virgen. - Dos (2) paletas extrafuertes de código ERB-0020 Uniplast, C.A elaboradas en una mezcla de PP Copolímero Propilven ® y PEAD Venelene ® 2908 APUV J440. Composición de las paletas: 50/50. En la Tabla 4.3. se presentan las especificaciones técnicas de la paleta de código ERB-0020. Tabla 4.3. Especificaciones técnicas de la Paleta de código ERB-0020. (13) Producto ERB-0020 Peso (Kg.) 19 Capacidad estática (Kg) 4500 Capacidad en Rack Convencional (Kg) 1500 31 Capacidad en Rack Tipo Túnel (Kg.) 800 - Para realizar el ensayo de impacto porteriormente descrito se utilizó hielo seco, acetona y nitrógeno líquido. 4.2. Equipos. - Vernier digital marca MITUTOYO de apreciación ±0,01mm. - Máquina de ensayos universales marca LLOYD Instruments modelo EZ 20 con montaje para ensayo de flexión. - Software de adquisición y análisis de ensayos de flexión PTCHAR versión 7.1.0.0 proporcionado por la sección de Polímeros del Laboratorio “E” de la Universidad Simón Bolívar. - Montacargas marca CLARK, modelo GP25. Capacidad máxima de carga 2500Kg. - Platinas para montaje de ensayos de flexión. - Equipo de ensayos de impacto marca ZWICK. - Pinza metálica. - Termocupla marca Delta Ohm modelo HD8802, de apreciación 0,1°C. - Cronómetro. - Termómetro de apreciación 1°C. - Equipo para medir temperatura de deflexión y Vicat marca C.S.I. Computer Scientific Instrument, Inc. - Balanza marca OHAUS de apreciación 1g. - Balanza analítica marca OHAUS con precisión de 0,001g. - Molino. - Plastómetro marca Davenport. Plastics Testing Equipment. Melt Flow Rate Apparatus, Model 3/80. 32 4.3. Metodología. 4.3.1. Flexión a nivel de laboratorio. Se mecanizaron las probetas necesarias a partir de cortes varios de paletas elaboradas en PEAD 80/20, PP 100/0 y Mezcla 50/50. Con el uso del vernier se midió el espesor y el ancho de cada una. Una vez medidas todas las probetas, se identificaron y se procedió a realizar el montaje para ensayos de flexión en la máquina de ensayos universales. Posteriormente, siguiendo lo establecido en el procedimiento B de la norma ASTM-D790-03 se determinaron los parámetros necesarios como deflexión máxima, distancia entre apoyos y velocidad de ensayo. Se colocó una probeta, se introdujeron los parámetros en el Software y se inició el ensayo. Cuando la curva Fuerza [N] vs. Extensión [mm] alcanzó la deflexión máxima establecida, el ensayo se detuvo y se procedió a desmontar la probeta. Seguidamente, se repitió lo mismo para las demás probetas. En la Tabla 4.4. se presentan los parámetros de ensayo correspondientes. Luego de obtener las curvas, se calcularon el esfuerzo máximo en flexión (σfM) y el módulo elástico en flexión (Ef) para todas las probetas. Finalmente, se determinó el esfuerzo máximo en flexión promedio (<σfM>) y el módulo elástico en flexión promedio (<Ef>) para cada material. Tabla 4.4. Parámetros de ensayo de las probetas. Material PEAD 80/20 PP 100/0 Mezcla 50/50 Parámetro Teórico Distancia entre Velocidad de ensayo, Deflexión apoyos, L [mm] R [mm/min] máxima, D [mm] 155 41,4 20,69 Experimental 150 41 30 Teórico 175 46,4 23 Experimental 180 46 33 Teórico 129 34,7 15,9 Experimental 135 35 26 33 4.3.2. Propiedades eléctricas. Los ensayos realizados para determinar las propiedades eléctricas se llevaron a cabo según los procedimientos establecidos por el Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Simón Bolívar. Estas propiedades se determinar con el propósito de obtener valores referenciales de las misma, pues hasta la fecha no se ha encontrado bibliografía que reporte valores de éstas correspondientes al material en estudio. Las condiciones de ensayo se encuentran a continuación en la Tabla 4.5. Tabla 4.5. Condiciones de ensayo para propiedades eléctricas. Espesor promedio muestra (m) Voltaje, V (KV) Corriente, I [μA] Impedancia, Z [MΩ] Resistencia, R [MΩ] 0,008875 4,300 32,749 131,328 40,060 4.3.3. Índice de fluidez (M.F.I). Para llevar a cabo el ensayo, se molieron varios cortes de productos marca Uniplast, C.A. elaborados en una formulación 80/20 hasta obtener un tamaño de partícula lo suficientemente pequeño para ingresarlo al plastómetro y una masa adecuada para llevar a cabo el ensayo por triplicado. Luego, se siguió lo establecido en la Norma ASTM 1238-01 y se establecieron los parámetros de ensayo, los cuales se muestran a continuación en la Tabla 4.6. Tabla 4.6. Parámetros de ensayo del ensayo de índice de flujo. Parámetro Valor Temperatura (°C) 190,0 ± 0,1 Peso (Kg) 2,16 Tiempo entre cortes (s) 30 ± 1 Masa inicial aprox. de cada muestra (g) 5,000 34 4.3.4. Temperatura máxima de uso. (Ensayo de Temperatura de Deflexión.) Este ensayo se realizó con un equipo de ensayos universales siguiendo lo establecido en la Norma ASTM D648, utilizando el método B, 1,82MPa en el parámetro S y una masa de 1,200Kg (acorde al cálculo de los parámetros de ensayo). Para obtener la temperatura de deflexión se mecanizaron, midieron y ensayaron cinco (5) probetas de cada material a sus respectivas formulaciones a partir de cortes varios de paletas, luego se determinó el promedio del valor obtenido y el error asociado. 4.3.5. Temperatura mínima de uso. (Ensayo de impacto a bajas temperaturas.) Para evaluar la temperatura mínima de uso, se cortaron y entallaron probetas de impacto para cada formulación y material según el número de temperaturas a las que se quería analizar la resistencia al impacto (10 probetas por temperatura). En primer lugar, se sumergieron tres de cada uno en un medio apropiado para que alcanzaran la temperatura más baja posible. Una vez transcurrido el tiempo necesario de acuerdo al medio utilizado se sacó una de las probetas y con el termómetro digital se procedió a medir la temperatura cada 15 segundos. Esto se repitió con las probetas restantes clasificándolas según la formulación y el material. A continuación en la Tabla 4.7. se muestra el medio utilizado para cada una de las formulaciones y el tiempo necesario para que se alcanzara la temperatura más baja posible. Tabla 4.7. Medio empleado para cada una de las formulaciones. Formulación Medio empleado Tiempo PEAD 100/0 Nitrógeno líquido 10 min PEAD 80/20 Acetona + Hielo seco 45 min PEAD 60/40 Nitrógeno líquido 10 min PP 100/0 Nitrógeno líquido 10 min PP/PEAD 50/50 Nitrógeno líquido 10 min 35 Seguidamente, se procedieron a graficar los valores obtenidos y a realizar un ajuste para establecer una expresión matemática que relacionara la temperatura con el tiempo para cada formulación y material correspondiente. Una vez obtenidos los ajustes se determinaron los minutos y segundos necesarios para que las probetas de cada formulación y material alcanzaran las temperaturas establecidas dentro del rango térmico en el que se quería evaluar la resistencia al impacto (Ver Apéndices B.1 y B.3.) Por otro lado, se midió el espesor y la profundidad de la entalla para cada una de las probetas, se sumergieron en el medio correspondiente y se determinó la resistencia al impacto a cada temperatura utilizando la norma ASTM D6110-08 para ensayos de impacto Charpy y el péndulo de 1 J con una energía asociada al aire de 0,03 J. Es importante destacar que los conjuntos de probetas pertenecientes a cada formulación estuvieron sumergidos el mismo tiempo en el que estuvieron sumergidas las probetas utilizadas para realizar el ajuste en cada caso, esto para igualar las condiciones a las cuales se realizó este último. En el caso de la formulación estándar se elaboraba una solución de acetona con hielo seco nueva para cada diez (10) probetas, es decir, al terminar de ensayar las probetas correspondientes a una temperatura se descartaba la solución en la que estaban sumergidas. 4.3.6. Flexión a nivel de planta. (Paleta extrafuerte ERB-0020.) El ensayo fue realizado empleando la norma Venezolana 3858-1/ISO8611-1: “Paletas para el manejo de materiales. Paletas planas. Parte 1. Métodos de ensayo” y la norma Venezolana 3861:2005: “Paletas Planas de uso general para el manejo de materiales. Requisitos de desempeño”. A partir de ellas se observó el desempeño de la paleta extrafuerte de código EEA0020 elaborada tanto en PEAD 80/20 como en PP 100/0 y en PP/PEAD 50/50. El ensayo se desarrolló bajo condiciones de Rack tipo Túnel, siendo este último el más crítico en cuanto a resistencia a la flexión. En la Figura 4.1. se presenta la paleta elaborada en PEAD 100% virgen durante el ensayo. 36 Figura 4.1. Carga máxima y de referencia en una paleta elaborada en PEAD 100/0. A continuación en la Tabla 4.8. se muestran las condiciones de carga del ensayo de las paletas en configuración Rack tipo Túnel tomadas en base a las especificaciones técnicas de los productos. Tabla 4.8. Condiciones de carga para los ensayos de flexión. Producto Configuración Carga de Referencia Carga Máxima Deformación Máxima Permitida ERB-0020 Rack Tipo Túnel 200 Kg. 1000 Kg. 25 mm Las mediciones se hicieron de manera que se tomaba la medida en la paleta con carga máxima y era comparada con la medida de la paleta que sostenía la carga de referencia. La diferencia entre ellas (deformación máxima permitida), según especificaciones de la norma, no debía exceder los 25 mm. El método de tomar las medidas fue cada una (1) hora el primer día, cada tres (3) el segundo y cada cuatro (4) el tercero, cuarto, quinto y sexto día. 37 CAPITULO V RESULTADOS Y DISCUSIONES 5.1. Caracterización de la formulación estándar utilizada en la elaboración de paletas. La razón por la cual se realizó el análisis expuesto a continuación es debido a que se han reportado fallas en paletas sometidas a bajas temperaturas. Según estudios previos de la empresa, se tienen como valores aproximados de temperaturas mínima y máxima de uso, -25°C y 65°C, respectivamente. Sin embargo, no existe garantía alguna de ello ni de otras propiedades características del material constitutivo de las paletas en estudio. A continuación en la Figura 5.1. se muestra evidencia de la falla de paletas sometidas a bajas temperaturas. Seguidamente, en la Tabla 5.1. se muestran las propiedades evaluadas en las paletas elaboradas con la formulación estándar de PEAD. Figura 5.1. Fractura de paletas a bajas temperaturas en Rack Tipo Túnel. 38 Tabla 5.1. Propiedades de los productos de formulación estándar en PEAD. Propiedades Propiedades mecánicas Esfuerzo a la fractura, σfya (MPa) Esfuerzo máximo, σfMa (MPa) Módulo en flexión, Ef (GPa) Propiedades eléctricas Constante dieléctrica, tg(d) Permitividad relativa, er Resistencia de aislamiento, R (MW) Propiedades térmicas Índice de fluidez, M.F.I. (g/10min) (190/2,16) Temperatura de deflexión, (°C) Temperatura de fragilización, (°C) a Valor No se alcanza 31,5 ± 0,2 1,2 ± 0,1 1,193 57,667 8602,0 11,2 ± 0,2 67 ± 2 -10 ± 2 : A una deformación del 5%, punto límite de validez del ensayo. No equivale a ruptura. En cuanto a las propiedades mecánicas, sólo se evaluó resistencia a la flexión debido a que es el tipo de solicitación al cual se encuentran los productos elaborados con el material en estudio. Si los valores obtenidos se comparan con los correspondientes a la resina virgen sin espumar(19). En primer lugar, se observa que en ninguno de los dos casos se alcanza la fractura, lo cual está relacionado con el carácter dúctil del material puro que al espumarlo no pierde dicha característica. Al observar los valores de esfuerzo máximo, se tiene que el material espumado presenta una mayor resistencia a la flexión, de lo que puede deducirse que la presencia de burbujas internas o su estructura celular interna es la responsable de este resultado(6). En cuanto al índice de fluidez, se obtuvo un mayor valor de esta propiedad en comparación con la resina virgen inyectada convencionalmente. El comportamiento observado puede ser atribuido al porcentaje de materia prima recuperada presente en la formulación; pues al tener una historia térmica previa al procesamiento de los productos, puede haber experimentado fenómenos de degradación que incrementan la fluidez del material. Por otro lado, las propiedades eléctricas obtenidas fueron tomadas como referencia, pues hasta la fecha no se ha encontrado bibliografía que reporte valores asociados al material en estudio 39 procesado mediante inyección de espuma estructural. Sin embargo, se encontraron valores referenciales para el PEAD cargado con negro de humo(23), pero éstos no muestran concordancia con los obtenidos ya que no se aproximan. El ensayo de temperatura de deflexión se realizó con la finalidad de determinar la temperatura a la cual el material experimentaba una deformación bajo flexión crítica para las condiciones a las cuales fue sometido y considerarla como temperatura máxima de uso. Como se puede observar en la Tabla 5.1, el material espumado presentó una temperatura de deflexión de (67±2)°C. Este comportamiento se debe a que al aplicar una fuerza, las cadenas empiezan a moverse como consecuencia del aumento de la temperatura y lo hacen en la dirección de aplicación de la fuerza, hasta una temperatura donde el movimiento es tal que se observa la deformación de la pieza en sí. Si se compara el valor obtenido con el reportado en la información técnica proporcionada por la empresa, se tiene que considerando el error asociado, es exactamente el mismo. Según la literatura(23), la temperatura máxima de trabajo continuo del polietileno cargado con negro de humo (tal y como era el caso del material en estudio) está en los 70°C, por lo que puede considerarse bastante satisfactorio el valor obtenido. Así, este ensayo permitió obtener una idea de la temperatura a la cual una pieza elaborada a partir de dicho material experimenta una deformación importante bajo carga. Este ensayo se diseñó con la finalidad de determinar la temperatura a la cual el material experimenta una pérdida considerable de su resistencia mecánica debido a su fragilización y considerar el valor obtenido, como la temperatura mínima de uso o temperatura de fragilización. En la Figura 5.1.2 se muestra el gráfico obtenido para determinar la temperatura de fragilización de la formulación estándar utilizada actualmente. 40 6,2 Re sistencia al impacto (KJ/m 2) 5,8 5,4 5,0 4,6 4,2 3,8 PEAD 80/20 3,4 3,0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Te mperatura (°C) Figura 5.2. Gráfico de Resistencia al Impacto vs. Temperatura para el PEAD 80/20. En la Figura 5.2. se observa un salto brusco de la resistencia al impacto desde la temperatura de -20°C a -15°C, lo cual puede deberse a que en ese rango de temperatura está ocurriendo la transición vítrea del material. Sin embargo, de la teoría se sabe que el PEAD no posee una transición diferente a la que ocurre a -120°C. Evidentemente, el estado vítreo lo alcanzan diferentes polímeros a diferentes temperaturas, pues los que son más flexibles, con menos grupos voluminosos en sus cadenas, pueden girar o permanecer flexibles a temperaturas menores que los otros(24). Sin embargo, Vincent et al(16) realizaron el análisis estadístico de los resultados obtenidos para veinte termoplásticos (incluido el PEAD) a través del estudio de la resistencia al impacto en función de la temperatura, determinando que si existe una tendencia en esta propiedad, sin una tendencia relacionada en las propiedades dinámicas (procesos de relajación), la causa es un cambio en los defectos estructurales o en algún factor que no afecta a la movilidad molecular. Es por ello que puede considerarse la temperatura de -15°C como la temperatura de fragilización del material. Si se analiza el valor de la densidad en sólido del PEAD utilizado en estado virgen, se puede notar que es de 0,9600 g/cm3, por lo que puede considerarse el hecho de que la estructura del material contenga algún tipo de ramificaciones laterales, provenientes de su proceso de manufactura. Estas ramificaciones probablemente estén haciendo que exista esta reducción en las 41 propiedades mecánicas(9). Por otro lado, la presencia del material recuperado también puede ser la causa de que el material se fragilice a esa temperatura; esto porque al hablar de material recuperado se tiene un material con una historia térmica previa, que en el caso de estudio se desconoce. Aunado a esto, es importante destacar que las probetas no presentaban un tamaño, ni una distribución uniforme de celdas, por lo que es posible que esto sea una de las causas por las cuales el material fragiliza en el rango de temperatura obtenido. 5.2. Efecto del porcentaje de material recuperado en la formulación de los productos elaborados en PEAD. Como complemento a la caracterización de la formulación estándar utilizada por la empresa y con fines de control de calidad, se evaluó el efecto del porcentaje de material recuperado en la formulación de los productos elaborados en PEAD. Para ello, se determinaron los valores de las propiedades más relevantes de dos formulaciones diferentes (100/0 y 60/40) con la finalidad de compararlos con los correspondientes a la formulación estándar (80/20). En la Tabla 5.2. se muestran los valores de temperatura de deflexión obtenidos para cada una de las formulaciones antes mencionadas. Tabla 5.2. Temperatura de deflexión para diferentes formulaciones de PEAD. Formulación Temperatura de deflexión, (°C) 100/0 65 ± 1 80/20 67 ± 2 60/40 65 ± 2 Al analizar los valores obtenidos se observa que no existe variación considerable de la temperatura de deflexión entre las diferentes formulaciones de PEAD, por lo que se considera que el porcentaje de materia prima recuperada presente en las mismas no afecta dicho valor. Este comportamiento puede atribuirse al hecho de que en ninguno de los casos estudiados el 42 porcentaje de materia prima recuperada superó, o igualó al porcentaje de materia prima virgen, por lo que se puede decir que existe una tendencia hacia las propiedades de esta última. Por otro lado, es posible que el material deba ser reciclado un elevado número de veces para observar alguna variabilidad en las propiedades. Seguidamente, con la finalidad de determinar el efecto del porcentaje de materia prima recuperada en la temperatura de fragilización, se determinó la variación de la resistencia al impacto con la temperatura para las tres formulaciones estudiadas. En la Figura 5.3. se presentan las curvas obtenidas para cada una de ellas. 6,2 5,8 Re sistencia al impacto (KJ/m 2) 5,4 5,0 4,6 4,2 PEAD 100/0 3,8 PEAD 80/20 3,4 PEAD 60/40 3,0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Te mperatura (°C) Figura 5.3. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes formulaciones de PEAD. En la Figura 5.3. se observa que existe un cambio brusco en igual proporción de la resistencia al impacto con la temperatura entre los -20°C y los -15°C para las tres formulaciones estudiadas. Esto es indicativo de que el porcentaje de materia prima recuperada no afecta el rango de temperatura en el cual el material se fragiliza; comportamiento que también puede explicarse por el hecho de que el porcentaje de materia prima recuperada no superó o igualó al porcentaje de materia prima virgen presente en la formulación. Aunado a esto, existe la posibilidad de que el 43 número de veces que fue reciclado el material no haya sido suficiente para observar alguna variabilidad en esta propiedad. Es importante destacar que a temperatura ambiente, la formulación con un 100% de materia prima virgen presentó menor resistencia al impacto que las otras formulaciones; sin embargo, por la desviación estándar de las tres formulaciones, los valores se encuentran solapados por lo que no se considera relevante este comportamiento. Adicionalmente, es importante destacar que dicha formulación no contenía material con una historia térmica previa (materia prima recuperada) y las probetas presentaban una apariencia rígida, es decir, el tamaño de las celdas era bastante reducido y la distribución de la mismas menos homogénea en comparación con las otras formulaciones, por lo que se esperaba que tuviera una mejor resistencia al impacto. A continuación en la Figura 5.4. se muestran imágenes representativas del espumado de las probetas de PEAD 100/0 en comparación con las probetas de PEAD 80/20. Las probetas de color azul corresponden a las probetas de PEAD 100/0 y las negras a las probetas mecanizadas a partir de la formulación estándar utilizada por la empresa para la elaboración de sus productos. Figura 5.4. Espumado de PEAD 100/0 (azules) y PEAD 80/20 (negras). 44 5.3. Comportamiento de los materiales alternativos propuestos. Debido a las fallas que presentaron las paletas a bajas temperaturas y a la verificación de las temperaturas mínima y máxima de uso de las mismas, se decidió buscar un material alternativo para la elaboración de éstas. Con base en la teoría(10,15,16 y 17), se escogieron el Polipropileno (PP) copolímero y una mezcla de éste con PEAD de proporción 50/50 a fin de ampliar el rango térmico de uso de los productos elaborados por la empresa. La razón por la cual se escogieron estos materiales es debido a que el PP copolímero, posee un porcentaje de etileno que actúa mejorando la resistencia al impacto y es recomendado para aplicaciones que se exponen a bajas temperaturas(12). Otra de las razones por las cuales se escogió el PP copolímero como material alternativo es por pertenecer al grupo de las poliolefinas, las cuales pueden ser recicladas sin mayores inconvenientes. Esto, además del hecho de ser un material producido a nivel nacional. Para caracterizar los posibles materiales alternativos se evaluaron la temperatura de deflexión, la temperatura de fragilización, la flexión a nivel de laboratorio y a nivel de planta. En la Tabla 5.3. se presentan los valores de temperatura de deflexión de los diferentes materiales escogidos para la elaboración de las paletas. Tabla 5.3. Temperatura de deflexión de los materiales escogidos para la elaboración de las paletas. Material y formulación Temperatura de deflexión, (°C) PEAD 80/20 67 ± 2 PP 100/0 Mezcla 50/50 68 ± 1 68 ± 1 45 Si se analizan los valores obtenidos de temperatura de deflexión para cada uno de los materiales estudiados, no existe variación entre los mismos, por lo que se considera que los materiales escogidos no representan una opción para aumentar la temperatura máxima de uso de los productos elaborados por la empresa. Así mismo, se determinó la variación de la resistencia al impacto en función de la temperatura para los materiales escogidos y sus respectivas formulaciones. En la Figura 5.5. se presentan las curvas obtenidas para cada uno de ellos y para la formulación estándar utilizada por la empresa. Resistencia al impacto (KJ/m2 ) 12,8 12,2 11,6 11,0 10,4 9,8 9,2 8,6 8,0 7,4 6,8 6,2 5,6 5,0 4,4 3,8 3,2 2,6 2,0 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 PEAD 80/20 PP 100/0 Mezcla 50/50 0 10 20 30 Temperatura (°C) Figura 5.5. Resistencia al impacto vs. temperatura de diferentes materiales. En esta figura se observa que cada material experimenta una variación considerable de la resistencia al impacto en un rango de temperatura diferente. Por un lado, como se mencionó en párrafos anteriores, la formulación estándar actualmente utilizada por la empresa para la elaboración de sus productos (PEAD 80/20) lo experimenta entre -20°C y -15°C, a diferencia del PP 100/0 que lo hace a partir de los -10°C y finalmente la mezcla de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 entre los -40°C y los -30°C. El comportamiento observado del PP 100/0 se puede atribuir a que la temperatura de fragilización coincide con la temperatura de transición 46 vítrea del PP homopolímero (0°C); temperatura a la cual el material pasa de fracturar de manera frágil a hacerlo de manera dúctil. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, se observa que la mezcla experimenta una variación considerable de la resistencia al impacto entre los -40°C y los -30°C, lo cual puede estar asociado a un proceso de relajación; por lo que puede considerarse como temperatura de fragilización, -30°C para la mezcla y -10°C para el PP copolímero. Es importante destacar que al comparar las probetas de un material con los otros, el espumado no tenía las mismas características en cuanto a tamaño de celda ni distribución de la misma, lo cual puede afectar los valores obtenidos. Para determinar la factibilidad de uso de los materiales propuestos fue importante evaluar las propiedades mecánicas a nivel de flexión ya que los productos están sometidos principalmente a este tipo de solicitación. Se llevaron a cabo tanto ensayos de flexión a nivel de laboratorio como a nivel de planta. En la Tabla 5.4. se muestran los valores de resistencia a la flexión a nivel de laboratorio obtenidos para los materiales propuestos y para la formulación estándar utilizada por la empresa para su comparación. Tabla 5.4. Resistencia a la flexión a nivel de laboratorio de los materiales escogidos para la elaboración de las paletas. Propiedades Esfuerzo a la fractura, σfya (MPa) Esfuerzo máximo, σfMa (MPa) Módulo en flexión, Ef (GPa) PEAD 80/20 No alcanzada 31,5 ± 0,2 1,2 ± 0,1 PP 100/0 No alcanzada 31,3 ± 0,5 0,8 ± 0,02 Mezcla 50/50 - Si se comparan los valores obtenidos para el PP copolímero con los de la formulación de PEAD estándar, es posible determinar que no existe una variación considerable entre ellos, por lo que a nivel de laboratorio los materiales presentan las mismas propiedades bajo flexión y probablemente estén asociadas al espumado. 47 Por otro lado, las propiedades de flexión a nivel de laboratorio no pudieron ser obtenidas para la mezcla de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 debido a la inmiscibilidad que presentan ambos materiales. A continuación en la Figura 5.6. se muestran imágenes representativas. Figura 5.6. Imágenes representativas de la inmiscibilidad de la mezcla. Blanco: PP. Negro: PEAD. A continuación en la Tabla 5.5. se muestran la máxima deformación alcanzada y máxima deformación permitida por un mismo producto elaborado en los diferentes materiales propuestos y en PEAD de formulación 100/0 para fines comparativos. Tabla 5.5. Deformación bajo flexión de la ERB-0020 elaborada en diferentes materiales. Material PEAD 100/0 PP 100/0 Mezcla 50/50 Máx. deformación alcanzada 19 mm 25 mm 23 mm Máx. deformación permitida 25 mm 25 mm 25 mm Al observar los valores de la Tabla 5.5, se tiene que en ningún caso la máxima deformación alcanzada supera a la máxima deformación permitida, por lo que se consideran satisfactorios los resultados obtenidos. Sin embargo, la máxima deformación alcanzada por el producto elaborado en PP copolímero corresponde con la máxima deformación permitida, por lo que no se considera adecuado el uso de este material para la elaboración de las paletas. Es importante destacar que 48 por lo extenso del ensayo, es decir, por la cantidad de días requeridos para realizar el ensayo de una paleta no fue posible ensayar varias para obtener un error asociado al resultado obtenido. De esta manera, en base a las propiedades caracterizadas de los posibles materiales alternativos se escogió la mezcla de PEAD con PP 50/50, pues aún cuando el ensayo de flexión a nivel de laboratorio no fue posible realizarlo debido a la inmiscibilidad de los materiales, a nivel de planta el producto elaborado con la misma presentó un buen desempeño y se logró disminuir su temperatura mínima de uso. 5.4. Análisis de costo. Para llevar a cabo el análisis de costo, se escogió un producto específico al cual calcularle el incremento o la disminución del precio actual, tomando como base que el mismo sea elaborado con una formulación 100/0 de PEAD (Paleta de código ERB-0020). Es importante destacar que por motivos de confiabilidad, no fue posible presentar los costos de producción de los productos elaborados con cada uno de los materiales propuestos y el utilizado actualmente. En la Figura 5.7. se presenta la relación porcentual entre el costo de una paleta elaborada con la formulación estándar y el costo de la misma al elaborarla con los materiales alternativos. 49 Porcentaje, (%) 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 PEAD 80/20 PP 100/0 Mezcla 50/50 Materiales Figura 5.7. Relación porcentual de costo. En la Figura 5.7. se observa que elaborar el producto en PP copolímero con una formulación de 100/0, genera un aumento de aproximadamente 43%, sin embargo, elaborarlo utilizando la mezcla de PEAD con PP copolímero con una formulación de 50/50 solo genera un aumento de aproximadamente 25% del costo actual. Es por ello que se considera como material alternativo este último, ya que no sólo sugiere un menor incremento del costo actual en comparación con el primero, sino que presenta las propiedades requeridas para la elaboración del producto. Es importante destacar que aún cuando genera un mayor costo por unidad, la temperatura mínima de uso disminuye en buena proporción y la resistencia a la flexión a nivel de planta además de la temperatura de deflexión, se mantienen en comparación con la formulación estándar utilizada actualmente. 50 CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones. - La presencia de materia prima recuperada en la formulación estándar del material constitutivo de los productos elaborados incrementa ligeramente el índice de fluidez debido a la degradación que presenta por tener una historia térmica previa; sin embargo, esta degradación no afectó las propiedades mecánicas involucradas con la temperatura para los productos ensayados. - En cuanto a resistencia a la flexión a nivel de laboratorio, el PEAD espumado representa una mejor opción si se compara con el material en estado puro. - El valor obtenido en un ensayo de temperatura de deflexión a nivel de laboratorio puede considerarse como la temperatura máxima de uso de piezas elaboradas en el material constitutivo de las probetas ensayadas. La temperatura de deflexión del material constitutivo de los productos elaborados en PEAD obtenida fue de 67°C y no se ve afectada por el porcentaje de materia prima recuperada presente en la formulación. - Es posible determinar mediante la evaluación de la resistencia al impacto a nivel de laboratorio a diferentes temperaturas, la temperatura de fragilización de piezas completas y considerarla como su temperatura mínima de uso. En el caso de los productos elaborados por la empresa en PEAD, a -15°C sufren una pérdida significativa de su resistencia mecánica y lo hacen indiferentemente del porcentaje de materia prima recuperada presente en la formulación. 51 - Se estableció que el rango térmico de uso del material constitutivo de los productos elaborados por la empresa en PEAD es de -15°C a 67°C. - La temperatura de deflexión no varió entre los materiales alternativos propuestos y el material actualmente utilizado por la empresa, por lo que la temperatura máxima de uso no pudo ser incrementada y se fija en 67 °C. - El PP copolímero presenta una temperatura de fragilización de -10°C, la cual se considera como la temperatura mínima de uso de los productos elaborados con dicho material. La mezcla de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 presenta una temperatura de fragilización de -30°C y es la temperatura mínima de uso de los productos elaborados por la empresa en dicha mezcla. - La resistencia a la flexión a nivel de laboratorio resultó aproximada a la correspondiente a la mezcla estándar utilizada por la empresa en la elaboración de sus productos. Sin embargo, debido a la inmiscibilidad de los materiales empleados en la formulación de la mezcla estudiada, no se pudo evaluar su resistencia a la flexión a nivel de laboratorio. - Los materiales propuestos presentan un buen desempeño en cuanto a resistencia a la flexión a nivel de planta. Sin embargo, no se recomienda el uso de PP copolímero debido a que el valor obtenido se encuentra en el límite del valor permitido. - Se logró disminuir la temperatura de uso de las paletas de -15°C a -30°C con un incremento del 25% en el costo de producción a través de la utilización de la mezcla de PP copolímero con PEAD de formulación 50/50 en la elaboración de las mismas, por lo que se recomienda el uso de la misma para la elaboración de las paletas que requieren un buen 52 desempeño a bajas temperaturas a pesar de la inmiscibilidad de la mezcla, pues presentó un buen desempeño a nivel de planta. 6.2. Recomendaciones. - Evaluar las propiedades reológicas de la materia prima recuperada, ya que proporciona información acerca de la historia térmica de la misma y del nivel de degradación, lo cual puede llegar a afectar las propiedades del producto terminado. - Evaluar la uniformidad del espumado en las piezas elaboradas, ya que puede representar un factor determinante en las propiedades de las mismas. - Evaluar el desempeño de otras formulaciones de la mezcla de PEAD con PP copolímero en proporciones menores de este último, ya que la composición de la misma puede resultar determinante en las propiedades y una manera de abaratar costos en caso de que exista la posibilidad de utilizarse una menor cantidad de PP copolímero en la formulación de la misma. Adicionalmente, se recomienda el uso de compatibilizantes para esta mezcla. 53 BIBLIOGRAFÍA (1) Richardson & Lokensgard, “Industria del Plástico. Plástico Industrial”, Editorial Paraninfo, Madrid. 87-89, 96-98, 163 y 164 (1999). 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Polipropileno (PP) copolímero heterofásico, grado inyección. 55 (21) Uniplast, C.A. Hoja técnica paleta extrafuerte ERB-0020. Elaborada en Polietileno de Alta Densidad (PEAD). (22) Bravo Q., Andrés y Rigail C., Andrés. Área de Materiales y Procesos de Transformación / Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción. Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). 25 de Febrero de 2009. “Evaluación de Polietilenos de Alta Densidad Reciclados para aplicación en Mobiliario Urbano”. Guayaquil-Ecuador. Disponible en Internet: http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/893/1/1722.pdf. Consultado el 29 de Julio del 2009. (23) Ramírez, José. Materiales Electrotécnicos. Enciclopedia CEAC de Electricidad. Ediciones CEAC, S.A, Barcelona, 238-241 (1977). (24) Textos científicos. “Temperatura de transición vítrea”. 16 de Junio del 2005. Disponible en Internet: http://www.textoscientificos.com/polimeros/temperatura. Consultado el 29 de Julio 2009. 56 APÉNDICE Apéndice A. Ensayos de flexión del PEAD espumado. A.1. Cálculo de los parámetros del ensayo de flexión a nivel de laboratorio. A.1.1. Cálculo del espesor promedio, <d>p. Para calcular el espesor promedio del conjunto de probetas a ensayar se utilizó la ecuación A.1 que se muestra a continuación. ൏ ݀ ൌ ݅ൌ σ݅ൌͳ ݀݅ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ú Donde: <d>p: Espesor promedio [mm]. di: Espesor promedio de la probeta i [mm]. Número de probetas: Número de probetas ensayadas. Modelo de cálculo: Probeta #1 PEAD 80/20. 57 ൏ ݀ ൌ ሺͻǡͺ ͻǡͻͻ ͳͲǡͲͷ ͺǡͶ ͳͲǡͶ ͻǡͳͲ ͻǡͻͲሻ݉݉ ൌ ͻǡ݉݉ El error asociado al espesor promedio del conjunto de probetas se determinó por desviación estándar utilizando la ecuación A.2, la cual se presenta a continuación. D ൏ ݀ ൌ Donde: ሺ݀݅ ሻ ඥú ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ D<d>p: Error asociado al espesor promedio [mm]. di: Espesor promedio de la probeta i [mm]. Número de probetas: Número de probetas ensayadas. Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20. (siete probetas) D ൏ ݀ ൌ ሺͻǡͺǢ ͻǡͻͻǢ ͳͲǡͲͷǢ ͺǡͶǢ ͳͲǡͶǢ ͻǡͳͲǢ ͻǡͻͲሻ݉݉ ξ ൌ Ͳǡ͵݉݉ A.1.2. Cálculo de la distancia entre apoyos, L. Para calcular la distancia entre apoyos requerida para realizar el ensayo, ésta se determinó siguiendo los lineamientos de la norma ASTM-D790-0 con la ecuación A.3 mostrada a continuación. ܮൌ ͳ ൏ ݀ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ 58 Donde: L: Distancia entre apoyos [mm]. <d>p: Espesor promedio [mm]. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. ܮൌ ͳ ൈ ͻǡ݉݉ ൌ ͳͷͷǡʹ݉݉ A.1.3. Cálculo de la velocidad de ensayo de flexión, R. Este parámetro también se calculó según lo establecido en la Norma correspondiente, utilizando la ecuación A.4. ܴൌ ܼʹܮ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ൏ ݀ Donde: R: Velocidad de ensayo [mm/min] Z: grado de tensión en la fibra más externa: 0,01mm/mm/min para el procedimiento A de la norma y 0,1mm/mm/min para el procedimiento B. L: Distancia entre apoyos [mm]. <d>p: espesor promedio [mm]. 59 Modelo de cálculo: PEAD 80/20. Ͳǡͳ݉݉ ൈ ሺͳͷͷǡʹ݉݉ሻʹ ݉݉Ǥ ݉݅݊ ܴൌ ൌ ͶͳǡͶ݉݉Ȁ݉݅݊ ൈ ͻǡ݉݉ A.1.4. Cálculo de la deflexión máxima. Para determinar la deflexión máxima, se utilizó la ecuación A.5 siguiendo lo establecido en la norma correspondiente al ensayo. ܦൌ ʹܮݎ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ൏ ݀ Donde: D: deflexión máxima [mm]. r: tensión en la fibra externa: 0,05 mm/mm. L: distancia entre apoyos [mm]. <d>p: espesor promedio [mm]. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. ܦൌ ݉݉ ͲǡͲͷ ݉݉ Ǥ ሺͳͷͷǡʹ݉݉ሻʹ ሺͻǡ݉݉ሻ 60 ൌ ʹͲǡͻ݉݉ A.2. Datos recolectados del ensayo de flexión. Para cada probeta se obtuvo una curva Fuerza vs. Extensión como la que se muestra a continuación en la Figura A.2.1. Figura A.2.1. Gráfico ejemplo de Fuerza [N] vs. Extensión [mm]. Una vez obtenidas todas las curvas, se extrajeron las de Esfuerzo vs. Deformación. Un ejemplo se muestra a continuación en la Figura A.2.2. Para llevar esto a cabo, se utilizó la opción Gráfico: Esfuerzo vs. Deformación del Software. 61 5% de deformación Figura A.2.2. Gráfico ejemplo de Esfuerzo [MPa] vs. Deformación [%]. Una vez obtenido el gráfico de Esfuerzo vs. Deformación para cada probeta se determinó el esfuerzo en flexión máximo, el cual corresponde al 5% de deformación y a partir de la pendiente de la región donde se consideró que ambos parámetros llevan una relación lineal, se determinó el módulo en flexión. A.3. Cálculo del esfuerzo máximo en flexión promedio. Para determinar este valor, se utilizó la ecuación A.6 la cual permite obtener un promedio de los valores obtenidos para cada una de las probetas ensayadas. ൏ ߪ݂ ܯൌ σൌ ݅ൌͳ ߪ݂݅ ܯ ú 62 ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ Donde: <σfM>: Esfuerzo máximo en flexión promedio [MPa]. σfMi: Esfuerzo máximo en flexión de la probeta i [MPa]. Número de probetas: Número de probetas ensayadas. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. ൏ ߪ݂ ܯൌ ሺ͵Ͳǡͻ ͵ʹǡ ͵ͳǡ͵ ͵ͳǡͶ ͵ͳǡͳ ͵ͳǡͻ ͵ͳǡͷሻ ൌ ͵ͳǡͷܽܲܯ Para calcular el error asociado al esfuerzo máximo en flexión, se utilizó la ecuación A.7, la cual se muestra a continuación. D ൏ ߪ݂ ܯൌ ൌ ሺ ൌͳ ߪ݂ ݅ ܯሻ ඥú ሺࡱࢉǤ Ǥ ૠሻ Donde: D<σfM>: Error asociado al esfuerzo máximo en flexión [MPa]. σfMi: Esfuerzo máximo en flexión de la probeta i [MPa]. Número de probetas: Número de probetas ensayadas. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. 63 D ൏ ߪ݂ ܯൌ ሺ͵ͲǡͻǢ ͵ʹǡǢ ͵ͳǡ͵Ǣ ͵ͳǡͶǢ ͵ͳǡͳǢ ͵ͳǡͻǢ ͵ͳǡͷሻ ξ ൌ Ͳǡʹܽܲܯ A.4. Cálculo del Módulo en flexión promedio. Para determinar esta propiedad, se utilizó la ecuación A.8 la cual permite obtener un promedio de los valores obtenidos para cada una de las probetas ensayadas. ൏ ݂ܧൌ σൌ ݅ൌͳ ሺࡱࢉǤ Ǥ ૡሻ ú Donde: <Ef>: Módulo en flexión promedio [MPa]. Efi: Módulo en flexión de la probeta i [MPa]. Número de probetas: Número de probetas ensayadas. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. ൏ ݂ܧൌ ሺͳǡͳʹͷ ͳǡͳͲͲ ͲǡͻͲͳ ͳǡͲͷ ͳǡͻ͵ ͳǡͲͻͳ ͳǡʹͳʹሻ ൌ ͳǡʹܽܲܯ Para calcular el error asociado al módulo en flexión promedio, se utilizó la ecuación A.9, la cual se muestra a continuación. 64 D ൏ ߪ݂ ܯൌ ൫ ൌ ൌͳ ൯ ඥú ሺࡱࢉǤ Ǥ ૢሻ Donde: D<σfM>: Error asociado al esfuerzo máximo en flexión [MPa]. σfMi: Esfuerzo en flexión máximo de la probeta i [MPa] Número de probetas: Número de probetas ensayadas Modelo de cálculo: PEAD 80/20. D ൏ ݂ܧൌ ሺͳǡͳʹͷǢ ͳǡͳͲͲǢ ͲǡͻͲͳǢ ͳǡͲͷǢ ͳǡͻ͵Ǣ ͳǡͲͻͳǢ ͳǡʹͳʹሻ ξ ൌ Ͳǡͳܽܲܯ Apéndice B. Ensayo de impacto a bajas temperaturas. B.1. Ajustes realizados para cada uno de los materiales y su formulación. En las Figuras B.1.1, B.1.2, B.1.3, B.1.4 y B.1.5. se muestran las curvas obtenidas para la realización del ajuste de cada uno de los materiales estudiados y su respectiva formulación, además de la ecuación correspondiente a dicho ajuste. 65 30,0 20,0 Temperatura (°C) 10,0 0,0 -10,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Tiempo (seg) -20,0 -30,0 T=18,05-94,53.0,99t -40,0 Valores obtenidos -50,0 Ajuste -60,0 -70,0 Figura B.1.1. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 80/20. 30,0 20,0 Temperatura (°C) 10,0 0,0 -10,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Tiempo (seg) -20,0 T=17,14-155,95.0,99t -30,0 -40,0 Valores obtenidos Ajuste -50,0 -60,0 Figura B.1.2. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 60/40. 66 20 10 Temperatura (°C) 0 -10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tiempo (seg) -20 T=13,54-163,98.0,99t -30 -40 Valores obtenidos -50 Ajuste -60 -70 Figura B.1.3. Curvas obtenidas para el ajuste de PEAD de formulación 100/0. 20 10 Temperatura (°C) 0 -10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tiempo (seg) -20 -30 T=17,55-128,75.0,99t -40 -50 Valores obtenidos -60 Ajuste -70 -80 Figura B.1.4. Curvas obtenidas para el ajuste de PP de formulación 100/0. 67 20 10 Temperatura (°C) 0 -10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Tiempo (seg) -20 -30 T=13,22-128,45.0,99t -40 Valores obtenidos -50 Ajuste -60 -70 Figura B.1.5. Curvas obtenidas para el ajuste de la mezcla de formulación 50/50. B.2. Determinación del tiempo requerido para que las probetas alcanzaran cada una de las temperaturas de ensayo. Para determinar el tiempo requerido, este parámetro se despejó de la ecuación del ajuste correspondiente a cada uno de los materiales y su formulación respectiva. La ecuación B.1. corresponde al ajuste de PEAD con formulación 80/20 y fue utilizada para dar un ejemplo de cálculo. Donde: ͳͺǡͲͷ െ ܶ ༌ ሺ ሻ ͻͶǡͷ͵ ݐൌ ሺࡱࢉǤ Ǥ Ǥ ሻ ༌ ሺͲǡͻͻሻ t: tiempo (seg.) 68 T: Temperatura (°C) Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20 a -30°C. Si queremos calcular el tiempo para que las probetas alcanzaran -30°C, introducimos este valor en T. ͳͺǡͲͷ െ ሺെ͵Ͳሻ ༌ ሺ ሻ ͻͶǡͷ͵ ݐൌ ൌ ͺͺǡ͵ ؆ ͳ ʹͺǤ ༌ ሺͲǡͻͻሻ B.3. Tiempos requeridos por cada material para alcanzar cada temperatura de ensayo. En la Tabla B.3.1. se muestran los tiempos requeridos por cada material para alcanzar cada una de las temperaturas de ensayo. Tabla B.3.1. Tiempos requeridos para cada temperatura de ensayo. Temperatura -10 -20 -25 -30 -40 -45 -50 -60 PEAD 100/0 2:58 2:26 2:13 2:01 1:42 1:34 - PEAD 80/20 2:38 1:59 1:42 1:28 1:03 - Tiempo (min:seg) PEAD 60/40 3:14 2:39 2:25 2:12 1:51 - 69 PP 100/0 3:39 2:55 2:21 1:54 1:31 1:12 Mezcla 50/50 4:11 3:19 2:40 2:09 - B.4. Cálculo de la Resistencia al Impacto de cada probeta. Para calcular la resistencia al impacto se utilizó la ecuación B.2, que se muestra a continuación. ܴǤ ܫൌ ܧെ ܽܧ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ͳͲͲͲ ൈ ܣ Donde: R.I.p: Resistencia al impacto de cada probeta (KJ/m2). Ep: Energía requerida por la probeta (J). Ea: Energía asociada al aire (J). Ap: Área trasversal de la probeta (m2). Modelo de cálculo: Probeta #1 a temperatura ambiente ܴǤ ܫǤ ൌ ܬܭ Ͳǡ͵Ͳ ܬെ ͲǡͲ͵ܬ ൌ ǡͺ ʹ െͷ ʹ ሺͳͲͲͲ ൈ ͷǡͲʹ ݉ Ͳͳݔሻ ݉ B.5. Cálculo de la resistencia al impacto por temperatura. Para calcular la resistencia al impacto por condición se sacó un promedio de la resistencia al impacto del conjunto de probetas ensayadas a una misma temperatura. Este promedio se determinó con la ecuación B.3, que se muestra a continuación. 70 ܴǤ ܫǤ ܶ݅ ൌ σ݅ൌͳͲ ݅ൌͳ ܴǤ ܫǤ݅ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ú Donde: R.I.Ti: Resistencia al impacto del conjunto de probetas ensayadas a la temperatura i. (KJ/m2) R.I.pi: Resistencia al impacto de la probeta i (KJ/m2) Número de probetas: Número de probetas ensayadas a la temperatura i. Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20. ܴǤ ܫǤ ܶ݅ ൌ ሺǡͺ ǡͶͷ Ͷǡ ͷǡͲͲ Ͷǡ͵ͷ ͶǡͶ ͷǡͻͻ ǡͻͳ ͷǡ Ͷǡͺͷሻ ൌ ͷǡͷ ͳͲ ܬܭ ݉ʹ ܬܭ ݉ʹ Para calcular el error asociado a este valor, se utilizó la ecuación B.4 que se muestra a continuación. DܴǤ ܫǤ ܶ݅ ൌ ݀݁ݐݏ݁ݒݏሺܴǤ ܫǤ ሻ ඥú ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ Donde: DR.I.Ti: Error de la resistencia al impacto del conjunto de probetas ensayadas a la temperatura i. (KJ/m2). R.I.p: Resistencia al impacto de las probetas (KJ/m2) 71 Número de probetas: Número de probetas ensayadas a la temperatura i. Módelo de Cálculo: Probetas de PEAD 80/20 a temperatura ambiente. DܴǤ ܫǤ ܶ݅ ൌ ݀݁ݐݏ݁ݒݏሺǡͺǢ ǡͶͷǢ ͶǡǢ ͷǡͲͲǢ Ͷǡ͵ͷǢ ͶǡͶǢ ͷǡͻͻǢ ǡͻͳǢ ͷǡǢ Ͷǡͺͷሻ ܬܭ ܬܭ ൌ Ͳǡ͵ ʹ ʹ ݉ ݉ ξͳͲ B.6. Cálculo del error asociado a la temperatura. Para calcular el error asociado a la temperatura, se midió el tiempo de retardo promedio en ensayar una probeta (5 segundos). Luego se introdujo este valor en la ecuación B.5 (despeje de la temperatura a partir de la ecuación B.1) sumado a uno de los tiempos asociado a cierta temperatura para ver a que valor llegaba al haber tardado solo 5 segundos en ensayar la probeta. Seguidamente, se introdujo este valor en la ecuación B.6, y se determinó el error. Donde: ܶ ൌ ͳͺǡͲͷ െ ͻͶǡͷ͵ ൈ Ͳǡͻͻ ݐሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ T: Temperatura (°C). t: Tiempo. Donde: Dܶ ൌ ܶ െ ܶ ݎሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ DT: Error asociado a la temperatura (°C) Tp: Temperatura a la que se quiere ensayar la probeta (°C). Tr: Temperatura real de la probeta (calculada con 5 segundos más). (°C). 72 Modelo de cálculo: Probetas de PEAD 80/20. Si debíamos esperar 1 minuto con 28 segundos para alcanzar una temperatura de -30°C, introducimos en la ecuación un minuto con veintiocho segundos (88 segundos) más cinco segundos (5 segundos), es decir un minuto con treinta y tres segundos (93 segundos) para determinar la temperatura real a la que iba a llegar la probeta tomando en cuenta el tiempo de retraso. Entonces, ܶ ൌ ͳͺǡͲͷ െ ͻͶǡͷ͵ ൈ Ͳǡͻͻͻ͵ ൌ െʹͺǡ͵° ܥ؆ െʹͺ°ܥ Dܶ ൌ െʹͺ° ܥെ ሺെ͵Ͳ°ܥሻ ൌ ʹ°ܥ Es decir, la temperatura iba a ser sólo 2°C mayor que la escogida. Nota: Este cálculo se hizo para varias temperaturas y se obtuvo el mismo resultado para todos los materiales y formulaciones estudiadas. 73 Apéndice C. Ensayo de temperatura de deflexión. C.1. Fuerza requerida para cada probeta. Para calcular la fuerza requerida por cada probeta para determinar su temperatura de deflexión, se utilizó la ecuación C.1. que se muestra a continuación. ʹܾܵ݀ʹ ݅ܨൌ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ͵ܮ Donde: S: Esfuerzo en la fibra externa. 1,82MPa. b: Ancho de la probeta (mm). d: Espesor de la probeta (mm). L: distancia entre apoyos. 100mm. Modelo de cálculo: Probeta #1 de PEAD 80/20. ݅ܨൌ ʹሺͳǡͺʹܽܲܯሻሺͳ͵ǡͲͻ݉݉ሻሺͺǡʹͳ݉݉ሻʹ ൌ ͳǡͲͻͳ݃ܭǤ ͵ሺͳͲͲ݉݉ሻͻǡͺͲͷ C.2. Masa requerida (mw). Para calcular la masa requerida para llevar a cabo el ensayo se utilizó la ecuación C.2 que se muestra a continuación. 74 ݉ ݓൌ Donde: ݅ǣͷ σ݅ǣͳ ݅ܨ ሺࡱࢉǤ Ǥ ሻ ܰú݉݁ݏܽݐܾ݁ݎ݁݀ݎ mw: masa requerida. Fi: fuerza calculada para la probeta i. Número de probetas: Número de probetas a ensayar. Modelo de cálculo: PEAD 80/20. ݉ ݓൌ ሺͳǡͲͻʹǢ ͳǡͳͺǢ ͳǡʹʹʹǢ ͳǡ͵ʹͺǢ ͳǡͷͶሻ݃ܭ ൌ ͳǡʹͷ݃ܭǤ ͷ Apéndice D. Ensayo de Índice de Fluidez (M.F.I.) D.1. Datos obtenidos del ensayo. A continuación en la tabla D.1.1 se muestran las masas de cada uno de los cortes hechos para cada muestra. Tabla D.1.1. Masas de cada corte hecho a cada una de las muestras ensayadas. Muestra 1 2 3 Masa ± 0.001 (g) Corte (a) Corte (b) Corte (c) 0,575 0,511 0,567 0,597 0,523 0,554 0,603 75 D.2. Cálculo del M.F.I. de cada uno de los cortes. Para determinar el índice de flujo de cada corte se utilizó la ecuación 4.1 que se muestra a continuación. ܯǤ ܨǤ ܫǤ݅ ൌ ݉݅ Ǥ ܨሺࡱࢉǤ ࡰǤ ሻ Donde: M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i. (g/10min) mi: masa del corte i. (g) F: Factor para obtener el índice de fluidez en g/min. (20,00) Modelo de cálculo: Corte #1 de la muestra (a). ܯǤ ܨǤ ܫǤ݅ ൌ Ͳǡͷͷ݃Ǥ ʹͲǡͲͲ ൌ ͳͳǡͷ݃ȀͳͲ݉݅݊ D.3. Cálculo del índice de fluidez del material. Para determinarlo se incluyeron los cortes de cada muestra para sacar un valor total. A continuación se muestra la ecuación utilizada (Ecuación D.2.). σ݅ǣ ݅ǣͳ ܯǤ ܨǤ ܫǤ݅ ሺࡱࢉǤ ࡰǤ ሻ ܯǤ ܨǤ ܫǤ ൌ ܰú݉݁ݏ݁ݐݎܿ݁݀ݎ 76 Donde: M.F.I.: Índice de fluidez del material. (g/10min) M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i. (g/10min) Número de cortes: Siete (7). Cálculo: ܯǤ ܨǤ ܫǤ ൌ ሺͳͳǡͷͲǢ ͳͳǡ͵ͶǢ ͳͲǡͶǢ ͳͲǡʹʹǢ ͳͳǡͻͶǢ ͳͳǡͲͺǢ ͳʹǡͲሻ݃ȀͳͲ݉݅݊ ൌ ͳͳǡʹ݃ȀͳͲ݉݅݊ El error asociado se determinó mediante la ecuación D.3. DܯǤ ܨǤ ܫǤ ൌ ݀݁ݐݏ݁ݒݏሺܯǤ ܨǤ ܫǤ݅ ሻ ξ݊ú݉݁ݏ݁ݐݎܿ݁݀ݎ ሺࡱࢉǤ ࡰǤ ሻ Donde: DM.F.I.: Error asociado al índice de fluidez del material (g/10min) M.F.I.i: Índice de fluidez del corte i. Número de cortes: Siete (7). Cálculo: DܯǤ ܨǤ ܫǤ ൌ ݀݁ݐݏ݁ݒݏሺͳͳǡͷͲǢ ͳͳǡ͵ͶǢ ͳͲǡͶǢ ͳͲǡʹʹǢ ͳͳǡͻͶǢ ͳͳǡͲͺǢ ͳʹǡͲሻ݃ȀͳͲ݉݅݊ ξ ൌ Ͳǡʹ݃ȀͳͲ݉݅݊ 77 Apéndice E. Ensayo de flexión del producto EEA-0020. E.1. Cálculo de la deformación alcanzada (da). Para determinar la deformación alcanzada se utilizó la ecuación E.1 que se muestra a continuación. Donde: dܽ ൌ ݄ܿܽ ݉ ܽ݃ݎáݔǤ െ ݄ܿܽ ݂݁ݎ ܽ݃ݎǤ ሺࡱࢉǤ ࡱǤ ሻ da: Deformación alcanzada (mm). hcarga máx.: altura bajo carga máxima (mm). hcarga ref.: altura bajo carga de referencia (mm). Modelo de cálculo: Paleta elaborada en PEAD 80/20. dܽ ൌ ͳͶ݉݉ െ ݉݉ ൌ ݉݉ E.3. Deformación máxima alcanzada. La deformación máxima alcanzada se determinó cuando la deformación alcanzada se estabilizó en función del tiempo, es decir, fue el último valor obtenido antes de finalizar el ensayo. 78