FORO DE ANÁLISIS: INVESTIGACIÓN, DESARROLLO Y GESTIÓN TÉCNOLOGICA EN ITESCA. MATERIALES COMPUESTOS PARA LA FABRICACIÓN DE AISLANTES TÉRMICOS

FORO DE ANÁLISIS:

“INVESTIGACIÓN,

DESARROLLO Y GESTIÓN TÉCNOLOGICA EN ITESCA”.

“MATERIALES COMPUESTOS PARA LA FABRICACIÓN DE AISLANTES TÉRMICOS”

AUTOR: MI TERESITA BURGOS OCHOA Ingeniería Mecánica ITESCA

tburgos@itesca.edu.mx

JUAN JOSÉ DELFÍN VÁZQUEZ Ingeniería Mecánica ITESCA

jdelfin@itesca.edu.mx

Cd. Obregón, Sonora. 23 Marzo 2011

I INTRODUCCION

1.1 Antecedentes:

Una de las causas del deterioro ambiental es la irresponsable utilización de los recursos naturales para crear bienes de consumo para el “bienestar humano”, en los últimos 60 años el consumo se ha incrementado.

Un problema muy importante y preocupante en el mundo entero es la contaminación.

En las últimas décadas debido a las modificaciones climáticas consistentes en el incremento de la temperatura del planeta las naciones se han estado reuniendo con la finalidad de crear acuerdos para frenar la contaminación ambiental. Como parte de las medidas reducir la explotación de los recursos naturales, han surgido varios

programas ecológicos, entre ellos el de reciclaje de compuestos orgánicos e inorgánicos.

Como parte de la tendencia a reducir la contaminación, la reutilización de un material como el unicel (poliestireno) que es un material inorgánico que crea una considerable contaminación, es motivo de preocupación, este material puede reciclarse para volver a producir poliestireno expandido, en la construcción de componente del hormigón liviano, relleno de jardines, etc.

En México se producen al año 8 millones de toneladas de envases, 16% son plásticos y 2% de unicel, por tratarse de un derivado del petróleo, en su fabricación se

desprenden vapores tóxicos. El unicel es un material que no permite la formación de gérmenes, pero no es biodegradable y es poco reciclable. Los platos y vasos de unicel o de plástico no se desintegran, lo más que logran estos materiales es dividirse en moléculas muy pequeñas. Si bien el plástico y el unicel son materiales muy socorridos en la industria alimenticia, se trata de productos altamente contaminantes y cuando el segundo de ellos se introduce el microondas librea dioxinas cancerígenas [1].

La idea de sustentabilidad debería conducir al ser humano minimizar el uso de recursos naturales, materiales tóxicos y emisiones de desperdicios y contaminantes ponen en riesgo la vida de las futuras generaciones [2]

Como parte de las medidas que las Universidades están tomando, están los trabajos que la Facultad de Química de la UNAM, donde se obtuvo barniz a partir del

poliestireno, además obtuvo un adhesivo para papel, cartón y madera. También se logró recuperar material a granel que son partículas de diferentes tamaños que pueden volver a moldearse para manufacturar nuevos recipientes, esto ayuda a contrarrestar la llamada basura blanca produce graves daños ambientales. [3]

1.2 Planteamiento del problema:

La contaminación es el problema más grave que existe, dentro de estos, están los combustibles con las emanaciones de CO2 de los automóviles y las

industrias, los aerosoles, pesticidas y todo tipo basura inorgánica, por mencionar algunos; Dentro de la basura inorgánica que mas tarda en degradarse está el poliestireno, ya que, tiene una vida media de 400 años aproximadamente. La generación de residuos sólidos va en aumento. Según el INEGI, en 2005 se produjeron un millón 409 mil toneladas de plástico, y en 2006 la cifra ascendió a dos millones 13 mil toneladas. El poliestireno expandido (unicel) y otros plásticos tienen como destino final los rellenos sanitarios. Por esta razón se formuló la siguiente interrogante:

¿Podrá reutilizarse eficazmente el poliestireno que diariamente se desecha,

aprovechando sus propiedades y características, prolongando de forma sustentable su uso como un aislante térmico? [3]

1.3 Objetivos

1. Fabricar un material compuesto a base de poliestireno reciclado y otros materiales para que sirvan como aislantes térmicos.

2. Reducir la contaminación ambiental.

3. Crear una conciencia ecológica en los estudiantes.

4. Reducir los desperdicios de unicel que causan daño al medio ambiente.

1.5 Delimitaciones

La investigación se desarrolló de manera empírica, en el Instituto Tecnológico Superior de Cajeme, por medio de la experimentación, desarrollando pruebas manuales de diversos agentes y sustancias orgánicas que sean fácil acceso y no tóxicos, con el apoyo y supervisión de personas especialistas en el área de la química y la térmica, el periodo que comprende dicha investigación es de agosto 2009 a mayo 2010, y el material fundamental de la investigación “poliestireno” será recolectado en distintas zonas de ciudad obregón.

1.6 Desarrollo del Método

1. Personal académico de la institución que tenga los conocimientos sobre las propiedades de los materiales transferencia de calor, para que facilite el desarrollo de la investigación a través de su conocimiento.

2. Buscar información sobre el poliestireno y el medio ambiente como antecedente en la región a analizar, buscando en páginas de Internet con información confiable que trate del cuidado del medio ambiente, para tener conocimiento del impacto del poliestireno.

3. Buscar información sobre el reciclado del poliestireno, aplicaciones anteriores o investigaciones previas, buscando en sitios de empresas de este ámbito. Para conocer los métodos y aplicaciones para la reutilización de este contaminante.

4. Investigar acerca de los principales aislantes térmicos que están siendo utilizados usualmente en la actualidad para con esto conocer cómo funcionan normalmente estos materiales, también la aplicación y los costos de los mismos y así conocer los requerimientos a cumplir del aislamiento en análisis.

5. Ya detectados los distintos materiales aislantes que se encuentran disponibles para el estudio, se analizará cuál de estos tiene alguna característica que podría

aprovecharse, al ser mezclado con el poliestireno.

-Esto se llevará a cabo realizando mezclas separadas de 10gr. de poliestireno con 10 gr. de los diferentes materiales aislantes.

-Posteriormente se colocaran cada una de las mezclas sobre un tabique, para después realizar las pruebas de transferencia de calor por conducción convección y radiación. Estas se realizan con una serie de pasos:

1. Colocar la mezcla sobre una de las superficies del tabique, de este tabique se tendrá como información:

-Área determinada.

-Coeficientes de radiación, conducción y convección conocidos.

-Espesor determinado.

2. Se colocará una resistencia que proporcione calor directamente en contacto con el tabique, por la superficie libre del tabique (De la resistencia de tendrá como dato la potencia que maneja) ya que esté será el flujo de calor que se maneje.

3. Después de un tiempo determinado de tomará la temperatura de la superficie expuesta directamente a la resistencia y a la superficie con la mezcla.

4. Con los datos obtenidos se realizarán los cálculos necesarios para determinar los distintos flujos de cada una de las mezclas analizadas.

-Se tomarán los datos obtenidos en las pruebas con el fin de realizar una tabla comparativa que indique cuales son los materiales que aportan mayores propiedades térmicas a la mezcla.

-Con el fin de obtener los mejores probables componentes de la mezcla final.

6. Al tener los materiales con las mejores propiedades térmicas ya seleccionados se procederá a realizar muestras con diferentes proporciones, cambiando de 5 a 10 % las cantidades y con ello realizar nuevamente las pruebas de transferencia de calor,

llevando un registro de los datos de las pruebas realizadas , con esto se busca mejorar las propiedades del aislante.

1.7 Problemática Ambiental Nacional.

Es un hecho, que en el medio ambiental, los problemas han tomado

dimensiones globales. Un ejemplo muy ilustrativo de esto lo da el caso de los plaguicidas, prácticamente no existe un lugar en el planeta que se encuentre exento de la contaminación producida por su consumo. Otros problemas son el cambio climático, el deterioro de la capa de ozono, las repercusiones sobre el manejo de la biodiversidad o las aguas continentales e internacionales.

La naturaleza global de los problemas ambientales ha generado una dinámica de relaciones internacionales significativamente diferente en los últimos años.

En la última década, México ha firmado acuerdos y tratados varios, no

obstante, se requiere de alianzas selectivas y flexibles en muchos ámbitos,pero de manera particular en el de la protección del medio ambiente y los recursos naturales.

La problemática ambiental puede dividirse en cuatro aspectos:

• Desarrollo rural, recursos naturales y biodiversidad. México se ubica entre los principales países de acuerdo a su extraordinaria diversidad biológica y de ecosistemas junto con Brasil y Colombia, Indonesia, China y Australia.

• Desarrollo urbano. Se calcula que para el año 2010, las cuatro zonas

metropolitanas de México concentrarán alrededor de 35 millones de habitantes, lo que significa un incremento de cerca de 9 millonesde personas. Las

ciudades son un sistema en el que hay entrada de agua, energía y salida de aguas residuales, residuos sólidos inocuos y peligrosos y emisiones a la

atmósfera. De manera global, según datos de la Dirección Generalde Servicios Urbanos del Departamento del Distrito Federal, en 1994 el 48.13% de los residuos sólidos municipales correspondía a la basura.

• Crecimiento industrial. México se encuentra en el 13º lugar respecto a los países que más emiten gases Invernadero. La industria nacional produce 450 mil toneladas por día de residuos peligrosos lo que equivale a cerca de cinco millones de toneladas anuales.

• Educación, capacitación e investigación. Se espera que la educación

ambiental contribuya significativamente al alivio de los problemas ambientales dado que permite establecer relaciones con el mundo natural y la

responsabilidad personal sobre el cuidado del ambiente. En lo que respecta a la educación formal, "crear programas de educación sobre el medio ambiente con carácter interdisciplinario y que abarquen todos los niveles de enseñanza".

[5]

II ACTIVIDADES REALIZADAS

Según los estudios realizados se seleccionaron los materiales que conformarían el compuesto, son los siguientes materiales:

Unicel Papel

Gavilla de trigo Tela-Manta delgada

Pintura:Marca Diamond Basic, vinil acrílica, color blanco Impermeabilizante

TOP Total 5 años

Impermeabilizante elastomérico con resinas acrílicas base agua, que forma una capa autoadherible e impermeable de alta calidad.

Se realizaron los compuestos con las cantidades especificadas en la tabla 1

Compuesto 2: impermeabilizante y unicel Compuesto 1: impermeabilizante, unicel y tela.

Compuesto 4: impermeabilizante, papel y unicel.

Compuesto 3: pintura, unicel y papel

Compuesto 5: impermeabilizante y tela.

Compuesto 6: pintura, gavilla, unicel y papel.

.

Después de fabricar diferentes compuestos con las proporciones que se muestran en la tabla 1 se obtuvieron las probetas fig.1 que serían sometidas a pruebas de

transferencia de calor.

Compuesto Tela Unicel Gavilla Papel Pintura Impermeabilizante 1 Tela

Unicel Imperm.

1mm 50gr --- --- --- 250ml

2 Imperm.

Unicel

--- 50gr --- --- --- 250ml

3 Pintura Unicel papel

--- 50gr --- 50gr 250ml ---

4 Imperm.

Papel Unicel

--- 50gr --- 50gr --- 250ml

5 Imperm.

Tela

1mm --- --- --- --- 250ml

6 Pintura Gavilla Unicel Papel

--- 50gr 50gr 50gr 250ml ---

Compuesto 8: impermeabilizante, papel, gavilla y unicel 

Compuesto 7: impermeabilizante, gavilla y unicel. 

7 Imperm.

Gavilla Unicel

--- 50gr 50g --- --- 250ml

8 Imperm.

Papel Gavilla Unicel

--- 50gr 50gr 50gr --- 250ml

Tabla 1 Proporciones de los materiales en el compuesto.

En la imagen se muestran cada una de las probetas que serán sometidas a distintas temperatura. fig.1

fig. 1 Probetas

2 Con las probetas identificadas se le realizaron censos de temperatura después de estar expuestas durante aproximadamente 3 horas en la intemperie y expuestas a la radiación del sol y la temperatura ambiente. Los resultados de dichos censos se muestran en la tabla 2

Compuesto Temperatura Lamina °C

Temperatura Aislante°C

Temperatura Ambiente°C

Hora

1- Tela Unicel

Imperm.

51 4 55 36 12:35 pm 42 3 45 40 3:42 pm

2- Imperm.

Unicel

48 7 55 36 12:35 pm 43 3 46 40 3:42 pm 3 Pintura 45 1 46 36 12:35 pm

Unicel Papel

42 1 43 40 3:42 pm

4 Imperm.

Papel Unicel

47 1 48 36 12:35 pm 40 4 44 40 3:42 pm

5 Imperm.

Tela

56 1 57 36 12:35 pm 42 6 48 40 3:42 pm 6 Pintura

Gavilla Unicel Papel

35 8 43 36 12:35 pm 41 1 42 40 3:42 pm

7 Imperm.

Gavilla Unicel

39 7 46 36 12:35 pm 35 7.5 42.5 40 3:42 pm

8 Imperm.

Papel Gavilla Unicel

41 5 46 36 12:35 pm 39 4 43 40 3:42 pm

Tabla 2 Censos de temperatura sometida a radiación solar.

Posteriormente se realizaron pruebas de transferencia de calor por conducción sometiendo cada una de las probetas a n flujo de calor constante y censando las temperaturas interior y exterior de cada una.

La información obtenida se muestra en la tabla 3 de temperaturas por conducción.

Los compuestos se expusieron al calor para conocer su comportamiento térmico.

-Como suministrador de calor se utilizó una parrilla eléctrica.

-Un termómetro para conocer la temperatura de la lámina y la del compuesto.

-Un multímetro para conocer el voltaje y la corriente consumida por la placa.

-Las láminas se colocaban en la parrilla eléctrica por un intervalo de 30 segundos y al retirarse se tomaban las temperaturas tanto de la lámina como del compuesto.

-Se tomaron las dimensiones de las láminas y de los compuestos.

Tabla de resultados obtenidos de las pruebas térmicas realizadas a los compuestos.

Compuest o

Temperatur a Lamina °C

Temperatur a Compuesto

°C

Transferenci a de calor

aplicado

Área superficia

l

Espesor lamina Compuest

o

1 Tela Unicel Imperm.

93 45 509.64

C Wm

° .

207cm^{2 0.5m} m

5mm

2 Imperm.

unicel

64.5 35 255cm^{2 7mm}

3 Pintura Unicel

Papel

93.5 33 168cm^{2 9mm}

4 Imperm.

Papel Unicel

72 65 288cm^{2 8mm}

5 Imperm.

Tela

73 95 480cm^{2 0.25mm}

5 Imperm.

Tela

73 95 480cm^{2 0.25mm}

7 Imperm.

Gavilla Unicel

66 37 279cm^{2 8mm}

8 Imperm.

Papel Gavilla

Unicel

86 48 280.5

cm2

7mm

Tabla 3 Temperaturas por conducción.

Obtenidos estos resultados se puede aplicar el concepto de resistencia térmica de conducción de calor en estado estable.

Como lo que se busca es conocer la conductividad térmica (K) del compuesto se despeja de la formula.

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

= −

s compuesto s

a

la K A

x A

K x

T Q T

2 min

1

3 1

.

⇒

^{2 1} _. ³

min 1

Q T T A K

x A

K x

s compuesto s

a la

= −

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

s a la s

compuesto K A

x Q

T T A K

x

min 1 .

3 1

2 − −

=

⇒

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛ − −

=

s a la s

compuesto

A K

x Q

T A T K x

min 1 .

3 1

2 (1)

Aplicando los resultados obtenidos en las pruebas térmicas en la ecuación (1) se conoce el coeficiente de conductividad térmica de cada uno de los compuestos.

Compuesto 1: impermeabilizante, unicel y tela.

Datos conocidos:

T1= 93°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 45°CA_s=0.0207m² x₂=0.005m

( ) ( ) ^{( )}

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 2.5767

0207 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

45 0207 93

. 0

005 . 0

2 2

Compuesto 2: impermeabilizante y unicel.

Datos conocidos:

T1= 64.5°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 35°CA_s=0.0255m² x₂=0.007m

( ) ( ) ^{( )}

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 4.7702

0255 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

35 5

. 0255 64

. 0

007 . 0

2 2

Compuesto 3: pintura, unicel y papel.

Datos conocidos:

T1^{= 93.5°C}K_lamina

= 58

Wm

⋅ °

C x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 33°CA_s=0.0168m² x₂=0.009m

( ) ( ) ( )

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 4.5323

0168 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

33 5

. 0168 93

. 0

009 . 0

2 2

Compuesto 4: impermeabilizante, papel y unicel.

Datos conocidos:

T1= 72°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 65°CA_s=0.0288m² x₂=0.008m

( ) ( ) ( )

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 20.67

0288 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

65 0288 72

. 0

008 . 0

2 2

Compuesto 5: impermeabilizante y tela.

Datos conocidos:

T1= 73°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 95°CA_s=0.0480m² x₂=0.00025m

( ) ( ) ( )

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m =− ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 0.12015

0480 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

95 0480 73

. 0

00025 . 0

2 2

Este compuesto aumento la conductividad térmica, por lo tanto no sirve para el propósito que se busca.

Compuesto 6: pintura, gavilla, unicel y papel.

Datos conocidos:

T1= 99°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 31°CA_s=0.0255m² x₂=0.007m

( ) ( ) ^{( )}

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 2.062

0255 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

31 0255 99

. 0

007 . 0

2 2

Compuesto 7: impermeabilizante, gavilla y unicel.

Datos conocidos:

T1^{= 66°C}K_lamina

= 58

Wm

⋅ °

C x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 37°CA_s=0.0279m² x₂=0.008m

( ) ( ) ( )

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 5.0666

0279 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

37 0279 66

. 0

008 . 0

2 2

Compuesto 8: impermeabilizante, papel, gavilla y unicel.

Datos conocidos:

T1= 86°C

C Wm

K_lamina

= 58 ⋅ °

x₁=0.0005m Q

509 . 64

W

.

=

T2= 48°CA_s=0.02805m² x₂=0.007m

( ) ( ) ( )

C Wm

C m Wm

m W

C m C

K_compuesto m = ⋅°

⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜

⎝

⎛

°

⋅

° −

−

°

= 20.67

02805 . 0 58

0005 . 0 64

. 509

48 02805 86

. 0

007 . 0

2 2

compuesto Impermeabilizante unicel tela papel gavilla Pintura

KWm C

°

⋅

1 X X X 2.5767

2 X X 4.7702

3 X X X 4.5323

4 X X X 20.67

5 No sirvió para el propósito buscado

6 X X X X 2.062

7 X X X 5.066

8 X X X X

Tabla de resultados de conductividad térmica.

III CONCLUSIONES

A través de la información arrojada de las pruebas realizadas a cada uno de los compuestos y comparando la información se pudo determinar que él. Compuesto No.

6 que contiene: pintura, gavilla, unicel y papel, es el que tiene menor coeficiente de conductividad térmica k que los demás compuestos fabricados ya que, al someterlo a temperatura se obtuvieron 68

°

C grados de diferencia entre la superficieen contacto con la fuente de calor y la superficie contraria, su coeficiente de conductividad térmicafue k

= 2.062

C Wm

°

⋅

demostrando que es el mejor aislante.

BIBLIOGRAFIA

[1]http://impreso.milenio.com/node/8569759 [2]http://www.itesm.la/tag/simposio/

[3]http://www.bionero.org/estilo-de-vida/reciclan-unicel-y-plastico-para-crear-barniz-y- adhesivo-ecologicos

[4] FUENTE: Herbert R. Simonds y James M. Church, A Guide to Plastics, 2da. Ed.

Reinhold, 1963.

[5]http://www.anuies.mx/servicios/p_anuies/publicaciones/revsup/res111/txt4_2.

htm

[6] http://www.textoscientificos.com/polimeros/poliestireno‐expandido [7]http://www2.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S1316- 67272007000100007&lng=es&nrm=iso

[8] http://grupos.emagister.com/ficheros/dspflashview?idFichero=7964887 [9] http://www.ecohabitar.org/articulos/art_bioconstruccion/aislamiento.html [10] Transferencia de calor, YunusCengel. Edición 4ta.