Análisis del efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café

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(1)IQ-2005-I-17. ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIETILIENO DE ALTA DENSIDAD REFORZADO CON CASCARILLA DE CAFÉ. MAURICIO LEMUS MUÑOZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2005.

(2) IQ-2005-I-17 ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIETILIENO DE ALTA DENSIDAD REFORZADO CON CASCARILLA DE CAFÉ. MAURICIO LEMUS MUÑOZ. Proyecto de grado para optar por el titulo de Ingeniero Químico. Asesores: Miguel W Quintero Ingeniero Químico Jorge Alberto Medina Perilla Ingeniero Mecánico Dr. Ingeniería Industrial. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2005. 2.

(3) IQ-2005-I-17. Para mi Familia; Mis padres, mi hermano y mi tía, los pilares de este proyecto de ser, quines son mi corazón en la batalla y con los que la vida me ha querido premiar por adelantado. Mi padre, el amigo ideal. Mi hermano, el mejor y más paciente tipo del mundo. Mi madre, la luz del camino. Mi tía, la mística y la esperanza. Para aquella persona que me abrió los ojos a la vida y me enseño su verdadero color, por quien elegí este rumbo y deseo seguir adelante. Y para mis verdaderos amigos, compañeros de juerga y oportunos escuderos en los momentos más difíciles de mi vida.. 3.

(4) IQ-2005-I-17 Dirijo mi entera gratitud a: • • • •. El profesor Miguel Quintero por sus oportunos consejos y su apoyo El profesor Jorge Medina por extenderme una mano cuando la necesite Paola Bocanegra por su incondicional apoyo y por dañar una que otra probeta Alejandro Becerra y Jimmy Niño por su desinteresado y leal compromiso. Personas claves y fundamentales durante la marcha de este trabajo. Una vez mas mil gracias.. 4.

(5) IQ-2005-I-17 •. TABLA DE CONTENIDO. RESUMEN ....................................................................................................................... 8 INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 9 OBJETIVOS................................................................................................................... 12 1. MARCO TEORICO ................................................................................................... 14 1.1. MATERIAL COMPUESTO ............................................................................... 15 1.2. MATRIZ.............................................................................................................. 16 1.2.1 Polietileno de alta densidad ........................................................................... 16 1.3. REFUERZO ........................................................................................................ 17 1.4. AGENTE DE ACOPLE ...................................................................................... 18 1.5. CREEP................................................................................................................. 19 2. DISEÑO EXPERIMENTAL...................................................................................... 20 2.1 FACTORES Y NIVELES ................................................................................... 21 2.1.1 Temperatura................................................................................................... 22 2.1.2 Contenido de refuerzo ................................................................................... 22 2.1.3 Tamaño de partícula ...................................................................................... 22 2.1.4 Réplicas ......................................................................................................... 23 2.2. VARIABLE DE RESPUESTA ........................................................................... 23 3. PROTOCOLO EXPERIMENTAL ............................................................................ 25 3.1. MATERIALES.................................................................................................... 25 3.2. PREPARACION DEL MATERIAL COMPUESTO.......................................... 26 3.2.1. Tamizado ...................................................................................................... 26 3.2.2. Secado........................................................................................................... 27 3.2.3. Mezclado ...................................................................................................... 28 3.2.4. Moldeo de probetas ...................................................................................... 30 3.2.5. Troquelado.................................................................................................... 31 3.2.6. Acondicionamiento....................................................................................... 32 3.2.7. Pruebas mecánicas........................................................................................ 32 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.................................................. 34 4.1. ESFUERZO DE 8.25 MPa .................................................................................. 35 4.2. ESFUERZO DE 10.32 MPa ................................................................................ 37 4.3. ESFUERZO DE 12.55 MPa ................................................................................ 40 5. EVALUACIÓN FENOMENOLÓGICA................................................................... 43 6. CONCLUSIONES...................................................................................................... 51 BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….52 ANEXOS ........................................................................................................................ 55 A. RESULTADOS……………………………………………………………..55 C. GRÁFICAS DE SUPERFICIE……………………………………………...61 D. GRÁFICAS DE CREEP…………………………………………………….64. 5.

(6) IQ-2005-I-17 LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Composición Química del Cisco de café.......................................................... 18 Tabla 2. Propiedades mecánicas del PEAD.................................................................... 25 Tabla 3. Formulaciones .................................................................................................. 29 Tabla 4. Resultados T amb y 8.25 MPa (esfuerzo) ........................................................ 34 Tabla 5. Resultados T amb y 10.32 MPa (esfuerzo) ..................................................... 34 Tabla 6. Resultados T amb y 12.55 MPa (esfuerzo) ...................................................... 34 Tabla 7. Resultados T 50ºC y 8.25 MPa (esfuerzo) ...................................................... 34 Tabla 8. Resultados T 50ºC y 10.32 MPa (esfuerzo) .................................................... 35 Tabla 9. Resultados T 50ºC y 12.55 MPa (esfuerzo) .................................................... 35 Tabla 10. ANOVA esfuerzo 8.25 MPa .......................................................................... 37 Tabla 11. ANOVA esfuerzo 10.32 MPa ........................................................................ 39 Tabla 12. ANOVA esfuerzo 12.55 MPa ........................................................................ 42. 6.

(7) IQ-2005-I-17 INDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Puntos de observación .............................................................................. 21 Ilustración 3. Cisco de café............................................................................................. 26 Ilustración 4. Agitador Ro-Tap....................................................................................... 27 Ilustración 5. Horno BLUE M........................................................................................ 27 Ilustración 6. Reómetro de torque Brabender plasticorder............................................. 28 Ilustración 7. Molino de muelas Condux Cs-150 ........................................................... 29 Ilustración 8. Mezcla granulada...................................................................................... 30 Ilustración 9. Prensa DAKE ........................................................................................... 31 Ilustración 10. Lámina de moldeo Ilustración 11. Molde de Troquelado ............................................................................ 31 Ilustración 12. Probetas para Creep................................................................................ 32 Ilustración 13. Montaje a Temperatura ambiente Ilustración 14. Horno para pruebas a 50ºC.................................................................... 33 Ilustración 15. Termocupla para verificar T del horno Ilustración 16. Montaje al interior del horno................................................................. 33 Ilustración 17. Gráficas residuales para 8.25 MPa ......................................................... 36 Ilustración 18. Histograma tiempo de ruptura 8.25 MPa ............................................... 36 Ilustración 19. Gráficas residuales para 10.32 MPa ....................................................... 38 Ilustración 20. Histograma tiempo de ruptura 10.32 MPa ............................................. 39 Ilustración 21. Gráficas residuales para 12.55 MPa ....................................................... 40 Ilustración 22. Histograma tiempo de ruptura para 12.55 MPa ..................................... 41 Ilustración 23. Respuesta Vs Factores 8.25 MPa ........................................................... 44 Ilustración 24. Respuesta Vs Factores 10.32 MPa ......................................................... 44 Ilustración 25. Respuesta Vs Factores 12.55 MPa ......................................................... 45 Ilustración 26. Gráfica de efectos principales 8.25 MPa................................................ 46 Ilustración 27. Gráfica de efectos principales 10.32 MPa.............................................. 47 Ilustración 28. Gráfica de efectos principales 12.55 MPa.............................................. 47 Ilustración 29. Gráfica de interacción 8.25 MPa ............................................................ 49 Ilustración 30. Gráfica de interacción 10.32 MPa .......................................................... 49 Ilustración 31. Gráfica de interacción 12.55 MPa .......................................................... 50. 7.

(8) IQ-2005-I-17. RESUMEN. En este trabajo, se estudió el efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas de materiales compuestos de polietileno de alta densidad y cascarilla de café mediante el análisis del comportamiento de la deformación del material con el tiempo al estar sometido a un esfuerzo constante para dos temperaturas diferentes (17 ºC y 50 ºC), sin embargo, al determinar que el cambio en la deformación con el tiempo es despreciable, se analizó para estas dos temperaturas el tiempo necesario para la ruptura del material, para los esfuerzos constantes establecidos en el análisis de deformación. Las variables de proceso trabajadas en la elaboración de este material fueron el porcentaje en peso de la fibra de refuerzo (40%, 50 % y 60%) y el tamaño de partícula mediante una separación con tamices Standard (mallas número 30, 40 y 50). La compatibilidad entre la fibra y la matriz se logro mediante la adición de un 1% en peso de polietileno lineal con adición de anhídrido maléico. Los resultados indican que hay una disminución en el tiempo necesario para la ruptura del material con el aumento de la temperatura. Sin embargo, el tiempo de ruptura del material aumenta por la adición de la fibra, mostrando mejores resultados cuando el contenido del refuerzo aumenta y el tamaño de partícula disminuye, a excepción de aquellos materiales compuestos en los que se manejo un mayor tamaño de partícula ya que exhiben un desempeño opuesto para la cantidad de fibra agregada.. 8.

(9) IQ-2005-I-17. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de compuestos plásticos reforzados con material ligno-celulósico nace debido a la necesidad de sustituir otro tipo de fibras minerales o cristalinas que implicaban un mayor costo de producción y el uso de materiales más pesados, menos flexibles y menos amigables ambientalmente. Por lo tanto una excelente alternativa para conseguir características totalmente opuestas a las anteriores, se ha obtenido con las fibras naturales que demuestran además muy buenas propiedades mecánicas.. Dentro del ámbito de estos materiales compuestos, los de mayor aplicación han sido los compuestos de matriz termoplástica con refuerzo de aserrín de madera. Y el sector con mayores aplicaciones es la industria automotriz con paneles de puertas, tableros de instrumentos y otros accesorios internos propios de un automóvil; en donde se demuestra un especial interés por fibras más largas y flexibles a las de la madera como lo son las fibras de kenaf, cañamo, sisal y yute, procedentes de países como India y Brasil, y estudiadas en estos al igual que en Estados Unidos y otros países en Europa occidental que constituyen los grandes consumidores de este material. Sin embargo existen también otras aplicaciones importantes como mobiliarios para hogares y parques, puertas, cercas e instalaciones portuarias.. Recientemente, los termoplásticos reforzados con fibras ligno-celulósicos naturales han desarrollado un nuevo concepto de materiales compuestos (composites) que ha cambiado la visión de las fibras como simples rellenos por la de refuerzos que contribuyen a la mejora de las propiedades de la matriz. Esto despierta un creciente interés en los campos de la investigación y de la industria debido a la gran disponibilidad de material y ventajas ambientales del producto final1. Sin embargo, las principales razones. para la adición de refuerzos ligno-celulósicos a matrices. termoplásticas son la reducción de costos por unidad de masa, mejorar la rigidez del material y usar materiales de desecho. Algunas ventajas de este tipo de fibras, en este caso la cascarilla de café, son su bajo precio, baja densidad, alto modulo y fuerza especifica, no ser un material abrasivo relativamente, la fácil modificación de su. 1. Referencia [10]. 9.

(10) IQ-2005-I-17 superficie y su habilidad de renovación como recurso natural2. Pese a estas excelentes ventajas, el uso de fibras naturales también implica ciertos problemas en el desarrollo de materiales compuestos como tener que ser procesados a temperaturas mucho menores, ser altamente higroscópicas y presentar incompatibilidad con los polímeros por su naturaleza hidrofílica, lo cual conlleva a una mala dispersión y consecuentemente a la obtención de propiedades mecánicas poco satisfactorias.. Determinar propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión, el modulo de young, la elongación a la ruptura y la resistencia al impacto, han sido el principal trabajo llevado a cabo durante los últimos años, pero de igual forma se ha creado la necesidad de prestar atención a la capacidad de carga de este material ya que este puede ser dispuesto para aplicaciones de larga duración. A partir de este punto el desempeño frente al fenómeno creep debe ser bien conocido ya que al igual que otro material, estos compuestos pueden experimentar alineamientos moleculares altamente sensible y dependiente de las condiciones en las que se encuentren como la humedad y la temperatura, al ser usados durante largos periodos de servicio. Las propiedades de visco-elasticidad bien sea la relajación de esfuerzos ó el creep al igual que las propiedades mecánicas convencionales anteriormente nombradas, también dependen del tipo de fibra, la orientación y dispersión de la misma y del tamaño y contenido.. Con base en este precedente y con el animo de apoyar los programas de reciclaje de resinas poliméricas y reemplazar las fibras de madera para reducir la deforestación, el centro de investigación en procesamiento de polímeros de la Universidad de los Andes (CIPP) ha incursionado y se encuentra trabajando en el campo de las maderas plásticas desde hace cinco años aproximadamente; creando, evaluando e implementado una nueva alternativa basada en material natural nativo como tallos de flores (rosa y clavel) y cascarilla de café mediante la caracterización mecánica de nuevos materiales llevadas a cabo en proyectos por Rodríguez 2000, Correa 2002, García 2002 y Bejarano 2004 entre otros, para los que cambian la matriz y el refuerzo.. Con el fin de seguir adelante con este proceso investigativo, el presente documento tiene como principal enfoque exponer el estudio y análisis del efecto de la temperatura en el. 2. Referencia [11]. 10.

(11) IQ-2005-I-17 comportamiento visco-elástico del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café. Este documento se encuentra divido en cinco secciones en las que se detallaran las etapas correspondientes al avance lógico de este proyecto que se ordenaran de la siguiente manera. En el primer capitulo se encontrara tanto una breve reseña histórica como una descripción teórica de este tipo de material al igual que otros aspectos importantes relacionados a este. En el segundo capitulo se encontrará todo lo relacionado al diseño experimental de este proyecto, encontrando de manera puntual que factores fueron elegidos como aquellos que hipotéticamente inciden en la respuesta mecánica del material, cuales fueron los niveles de evaluación y cual es la variable de respuesta para el análisis de varianza y porque fue escogida como tal. En el tercer capitulo se encuentran descritas cada una de las etapas de preparación del material, los materiales utilizados, las variables de estudio y los ensayos realizados. En el capitulo cuatro se encuentra el análisis estadístico de los resultados arrojados por las pruebas mecánicas. Y finalmente, en el capitulo cinco se encuentra consignada la evaluación fenomenológica de los resultados, es decir, se encuentra una explicación del porque de lo ocurrido en los resultados de los ensayos mecánicos respaldado con el previo análisis estadístico de la sección anterior.. 11.

(12) IQ-2005-I-17. OBJETIVOS. Objetivo general. Analizar el efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas del polietileno de alta densidad reforzado con cisco de café y determinar las interacciones de esta variable con otras variables de proceso como el porcentaje de refuerzo y el tamaño de partícula de refuerzo.. Objetivos específicos. 1. Realizar una revisión bibliográfica respecto a la caracterización química y física de la matriz y el refuerzo, y de los métodos de ensayo para el análisis de los cambios en las propiedades del material debido a la variación de los parámetros evaluados.. 2. Elaborar un protocolo experimental de procedimientos para todo el proceso, en el que se incluya el diseño del experimento, la formulación del compuesto y los ensayos mecánicos para la evaluación final de las propiedades del material. 3. Recopilar los datos más importantes de la etapa experimental y la información relevante al tema que permita evidenciar la posible relación de la temperatura con el comportamiento de otras variables evaluadas.. 12.

(13) IQ-2005-I-17 4. Determinar las posibles causas de interacción entre la temperatura del sistema y las demás. variables evaluadas que generen cambios a las propiedades del. material por medio de una análisis estadístico. 5. Hacer una evaluación fenomenológica de la interacción de las variables trabajadas.. 13.

(14) IQ-2005-I-17. 1. MARCO TEORICO. Dentro de la gran cantidad de tipos de fibras que se han venido utilizando como refuerzos ligno-celulósico desde hace 23 años aproximadamente, la madera como aserrín ha sido el material celulósico que más recepción a tenido dentro de los procesos productivos de las maderas plásticas, diferenciándose como fibra o aserrín por la relación de aspecto (longitud a diámetro), siendo fibra si su relación es de 10:1 ó 20:1 y aserrín si es de 4:1 ó 1:1; Y cuyo inicio se remonta a una mezcla de 50% de aserrín de madera y 50% de polipropileno llevada a cabo por ICMA San Giorgio, un importante fabricante de equipos de extrusión italiano, en una patente conocida como woodstock3. El producto de dicho proceso era una lámina proveniente de una extrusora de doble tornillo contrarotatorio, que posteriormente era transformada en accesorios para automóviles. Los derechos de esta patente fueron adquiridos inicialmente por el proveedor de resinas belga Solvag S.A. y luego por la compañía americana Woodstock de Lear Corporation. No obstante al propósito inicial de este producto, las aplicaciones del mismo se expandieron a productos como perfiles para ventanas u otros perfiles espumados y vigas para muelles o cercado, aumentando su intervención en mercados como el de la construcción y el inmobiliario en un 10% anual.. Sin embargo con el transcurso del tiempo se ha entendido que la madera no es la única fibra natural útil como refuerzo, por el contrario, cualquier fibra natural con alto contenido de celulosa, la cual aporta la rigidez sin aumentar la densidad, puede ser un refuerzo ligno-celulósico potencial, con base en lo que ya se han desarrollado productos reforzados con. kenaf, coco, platano, sisal y bambú que son fibras. naturales nativas de países sudamericanos o asiáticos.. De igual forma la fabricación de productos reforzados también esta acompañada por varios tipos de resinas comerciales que pueden ser utilizadas post-consumo, es decir recicladas a partir de material comercial presente como envases o cajas plásticas. Luego los polímeros de mayor uso son polietileno (mejor si es de alta densidad. 3. Referencia[18]. 14.

(15) IQ-2005-I-17 cuando es reciclado), polipropileno, PVC y en una menor proporción poliestireno y ABS.. 1.1. MATERIAL COMPUESTO. Un material compuesto, es un material multifasico cuyo propósito al ser elaborado es exhibir en gran medida las propiedades de sus fases constituyentes a partir del principio de acción combinada4. Por lo general, las maderas plásticas están compuestas por una resina termoplástica como matriz y una fibra natural como fase dispersa.. En el desarrollo de estos materiales compuestos los factores que pueden variar para conseguir las propiedades deseadas entre otras son: •. La tenacidad de la matriz. •. La relación de aspecto para la fase dispersa. •. La interfase para los componentes. •. La dispersión de las partículas de refuerzo. •. La orientación de las partículas de refuerzo. •. El tamaño de las partículas de refuerzo. •. El porcentaje de las partículas de refuerzo. Mediante una correcta selección de la materia prima es posible optimizar cada uno de los aspectos nombrados. Luego mejorar la interfase, implica la elección de materiales compatibles que se atraigan por interacciones intermoleculares ó el uso de agentes de acople, igualmente útiles en la dispersión de las partículas de refuerzo dentro de un proceso seleccionado del cual depende específicamente la orientación.. 4. Referencia [3]. 15.

(16) IQ-2005-I-17 1.2. MATRIZ. Una resina termoplastica es una macromolécula de alto peso molecular producto de un proceso de transformación aplicado a productos naturales o materias primas derivadas del petróleo, gas natural o carbón conocidos como polímero sintético. Estos polímeros se pueden clasificar en dos grupos: termoplásticos y termoestables, los cuales difieren en su comportamiento respecto a la temperatura, ya que los primeros pueden ser sometidos a ciclos térmicos en los que con el aumento de la temperatura se ablandan y fluyen, tomando forma sólida si se disminuye la temperatura, lo que se puede repetir hasta la degradación del material a diferencia de los termoestables en donde el material luego del primer ciclo de calentamiento presenta un endurecimiento que impide una posterior fundición debido a una reacción química.. 1.2.1 Polietileno de alta densidad. Es un termoplástico de cadena lineal menos ramificado que el polietileno de baja densidad por lo cual posee una estructura compacta con una densidad mayor. Es un material opaco, cristalino, impermeable y más resistente térmica y químicamente que el polietileno de baja densidad. El proceso de polimerización del polietileno de alta densidad se lleva a cabo a baja presión y con catalizadores en suspensión. La presión en la fabricación del polietileno de alta densidad está por debajo de 14 MPa, y en muchos casos hasta por debajo de 7 MPa, existiendo tres procesos comerciales importantes usados en la polimerización que son: La polimerización en solución, la polimerización en suspensión y la polimerización en masa.5 El polietileno es el polímero más popular debido a su bajo costo y se puede utilizar en múltiples procesos como el de inyección, el de soplado, el de extrusión y el de rotomoldeado. Este compuesto presenta la ventaja de tener temperaturas de transición vítrea y de fusión bajas, llegando a ser una excelente característica para las temperaturas de procesamiento para fibras naturales cuya temperatura de. 5. Referencia [7]. 16.

(17) IQ-2005-I-17 degradación es menor a los 200 grados Celsius, dependiendo del contenido de celulosa. Por otra parte, debido a que en los polímeros cristalinos y semi-cristalino existen por lo menos tres procesos de relajación dentro de un rango establecido de temperatura que esta entre -196 ºC (hace referencia a la temperatura en la que el nitrógeno se encuentra liquido) y el punto de fusión del material. SiroTkin resume diferentes teorías del mecanismo de relajación del polietileno de alta densidad y determina que hay tres transiciones importantes sobre este intervalo de temperatura para este material6. La primera esta relacionada con el corto rango de movimiento en la fase amorfa conocida como la transición γ. La segunda esta asociada al roce intralaminar, y se piensa que es netamente dependiente de la morfología superficial de los pliegues laminares que se conoce como la transición β. Y la ultima se relaciona con el roce intralaminar dentro de una fase cristalina siendo dependiente únicamente del espesor de las laminas y no de la morfología superficial de las mismas, es llamada la transición α7.. Sin embargo la temperatura de transición vítrea del polietileno de alta densidad ha sido punto de controversia, ya que esta ha sido asignada a tres regiones de temperatura diferentes, -33º C, -83 ºC y -123 ºC, de las que Turi8 sugiere que -33 ºC ha alcanzado credibilidad basado en evidencia reciente. Además se ha sugerido que la relajación. de puntos ramificados en el polietileno de alta densidad esta. relacionada con la transición β al tener como referencia al polietileno de baja densidad que es un polímero ramificado en el que un pico en la transición β es claramente identificado, por ende esta relajación es usualmente atribuida al movimientos segmentarios en la fase no cristalina.. 1.3. REFUERZO. El refuerzo o fase dispersa, es seleccionado de tal forma que este cumpla con las siguientes características: homogeneidad en la fibra, tener propiedades retardantes a 6. Referencia [17] Referencia [11] 8 Referencia [11] 7. 17.

(18) IQ-2005-I-17 la llama, ser resistente a la humedad y tener un alto contenido de celulosa en comparación a otros componentes como la lignina o las cenizas.. A partir de este punto, la cascarilla de café es una buena elección como subproducto del procesamiento del café, el cual luego de de pasar por la despulpadora donde son removidas las envolturas exteriores compuestas de proteínas y sustancias pépticas, es llevado a un proceso de fermentación seguido por un lavado y secado con aire, después del cual queda una sola envoltura conocida como cascarilla o cisco de café la cual es separada de la almendra por una trilladora o molino de cuchillas. La composición química del cisco de café 9 se presenta a continuación:. Tabla 1. Composición Química del Cisco de café. 1.4. AGENTE DE ACOPLE. Ya que factores como la interfase entre los componentes y la dispersión de partícula pueden variar para mejorar las propiedades del material compuesto, debido a la mejor distribución de carga y un aprovechamiento más eficaz de la rigidez aportada por la fibra natural, por lo general es necesario utilizar un agente de acople, el cual permite mejorar la interacción matriz refuerzo debido a que une dos materiales normalmente incompatibles debido a la naturaleza hidrofóbica de los polímeros y a que los puentes de hidrogeno tienden a mantener las fibras ligno-celulosicas juntas afectando la correcta dispersión y adhesión de estas a una matriz no polar. 9. Referencia [18]. 18.

(19) IQ-2005-I-17. Luego con base a lo anteriormente expuesto, durante este proyecto fue usado anhídrido maléico como compatibilizador o agente de acople, el cual une la fibra a la matriz a través de la esterificación de los grupos hidroxilo de la celulosa con el anhídrido maléico u otro copolímero comercial con contenido de anhídrido maléico como el polietileno maleato. que exhibe la. misma respuesta, acoplándose. posteriormente a la resina al ser totalmente compatible10.. El anhídrido maléico ó anhídrido cis-butenodioico (C4H2O3) es usado para la modificación de resinas poliméricas por medio de su adición mediante reacción química en una extrusión reactiva, la cual una vez concluye, lleva al nuevo compuesto a adoptar el nombre de la resina original más la terminación separada maleato, como lo hace por ejemplo el polietileno maleato.. 1.5. CREEP. El fenómeno Creep es la deformación progresiva de un material cuando este es sometido a una carga constante durante algún periodo de tiempo11. Este se encuentra compuesto básicamente por cuatro etapas; primero, la aparición de una deformación instantánea, luego la rápida disminución de la razón de deformación con el tiempo, después la obtención de un estado estable en la razón de deformación y finalmente el drástico aumento en la razón de deformación en el momento en que se presenta la ruptura del material12.. Por otra parte dentro de la evaluación del fenómeno de creep, el ensayo de creep de ruptura indica la máxima capacidad o resistencia de un material a una carga constante, medida como el tiempo estimado para la ruptura del material.. 10. Referencia [15] Referencia [5] 12 Referencia [9] 11. 19.

(20) IQ-2005-I-17. 2. DISEÑO EXPERIMENTAL. Por diseño experimental es posible entender el estudio que se lleva a cabo para determinar el efecto de cada factor, entendiendo como efecto la alteración en la respuesta, es decir la variable evaluada, al cambiar un nivel en el factor o parámetro evaluado.. Luego la manera más simple de llevar a cabo el análisis del proyecto a partir de los efectos provenientes de la cantidad de factores y niveles que se están manejando, es realizando un análisis factorial de efectos completo, dando por hecho que en cada ensayo ó replica completa de la etapa experimental, se investigan todas las combinaciones posibles de los niveles de los factores, determinando la interacción entre los mismos13. El diseño factorial presenta ventajas sobre otros modelos, en especial con experimentos con mas de un factor como ocurre en este caso, ya que se evita llegar a conclusiones incorrectas acerca de la interacción de los factor El diseño factorial para tres factores es el siguiente14. Para el cual se prueban las siguientes hipótesis que evidenciaran o no la presencia de efectos significativos por parte de los factores y cual sea su interacción.. 13 14. Referencia [13] Referencia [13]. 20.

(21) IQ-2005-I-17 Sin embargo el uso de este modelo para el análisis de los datos balanceados por medio del análisis de varianza y de comparación de medias de las respuesta con el modelo ANOVA, requiere de la determinación de ciertos supuestos dentro de los cuales se encuentran y asumen el de varianzas constantes para cada factor, el de normalidad residual y el de normalidad muestral.. 2.1 FACTORES Y NIVELES Para cumplir con el objetivo de este proyecto, se ha realizado un diseño factorial de tres factores con efectos para el análisis del comportamiento visco-elástico del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café.. Durante la experimentación en este proyecto se establecieron tres factores para los que se manejaron tres, tres y dos niveles respectivamente, que permiten determinar 18 puntos de observación que pueden reconocerse con claridad en la ilustración 1 para la cual se determina que la temperatura, al igual que lo son las variables de proceso tamaño de partícula y cantidad de refuerzo son los factores de experimentación. Los últimos factores fueron escogidos antes que el tipo de agente de acople, porque en investigaciones anteriores15 se ha determinado que aquel que produce mejores propiedades es el anhídrido maléico, en forma de polietileno maleato ya que mejora la interfase entre los componentes y aumenta la dispersión.. Ilustración 1. Puntos de observación. 15. Referencia [17]. 21.

(22) IQ-2005-I-17 2.1.1 Temperatura. Los dos niveles para el análisis del efecto de la temperatura sobre la respuesta del sistema se escogieron de tal forma que el rango de variación de este factor no fuese drástico, debido a que el interés del proyecto se encuentra centrado en tomar al material como un producto final cuyas aplicaciones puedan ser dispuesta ya sea en una zona fría como Bogotá ó Tunja, ó en una zona caliente como cualquiera de las ciudades de la costa. Por esto se decidió que el primer nivel para este factor será la temperatura ambiente de Bogotá y el segundo será 50 ºC.. 2.1.2 Contenido de refuerzo. Los niveles para esta variable de proceso fueron seleccionadas tras ser justificadas con patentes en las que se recomienda para la cantidad de refuerzo. manejar. concentraciones que oscilen entre el 40% y 60% (porcentaje en peso) según AERT16, ó concentraciones que se encuentren entre 40% y 65% según TREX 17, ya que. son los niveles más relevantes ya que maximizan el comportamiento del. material evaluado desde el punto de vista de las propiedades mecánicas convencionales para un material compuesto ligno-celulósico.. 2.1.3 Tamaño de partícula. De igual forma que para el contenido de refuerzo, los niveles para el tamaño de partícula que se sugieren trabajar según la justificación patentada de TREX18, deben ser elegidos a partir de partículas que pasen a través de una malla 30 por lo menos, clasificada según la norma ASTM E11 “standar specification for wire cloth and sieves for testing purpouses”. Luego respectivamente fueron escogidos los siguientes niveles para el tamaño de partícula: Partículas retenidas entre el tamiz malla 30 y el tamiz malla 40, partículas retenidas entre el tamiz malla 40 y malla 50 y partículas que pasen por el tamiz malla 50. 16. Referencia [20] Referencia [21] 18 Referencia [21] 17. 22.

(23) IQ-2005-I-17. En la ilustración 2 se encuentra de manera resumida los niveles y factores trabajados durante la experimentación.. DISEÑO EXPERIMENTAL. TEMPERATURA. % DE REFUERZO. TAMAÑO. T ambiente. 40%. Partículas mallas 30-40. T 50ºC. 50%. Partículas mallas 40-50. 60%. Partículas mallas 50-. 2.1.4 Réplicas. Para el desarrollo de esta investigación y con el fin de dar una mayor robustez a la a la variable respuesta teniendo en cuenta la magnitud del error sistemático se llevo a cabo una réplica para cada punto de observación, la cual fue desarrollada desde la separación de partículas por tamaño.. 2.2. VARIABLE DE RESPUESTA. Partiendo de que la intención de este proyecto es analizar el comportamiento viscoelástico del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café, el ensayo mecánico que se adelanto fue el de Creep bajo la estandarización de la norma ASTM D 2990 “estándar test methods for tensile, compresive and flexural creep and creep-rupture of plastics”, a partir de la cual se determina que el tiempo en el que se. 23.

(24) IQ-2005-I-17 presenta la ruptura del material cuando este se encuentra sometido a una carga constante es la variable de interés para cada nivel de los factores previamente establecidos al no existir una deformación apreciable.. 24.

(25) IQ-2005-I-17. 3. PROTOCOLO EXPERIMENTAL. En este capitulo se procederá a explicar, que materiales fueron utilizados durante la experimentación y cual fue el procedimiento experimental seguido durante la investigación.. 3.1. MATERIALES Como matriz termoplástica para este proyecto se uso polietileno de alta densidad, el cual es un copolímero de peso molecular medio y elevada rigidez que enseña una gran resistencia al impacto y a fisuras por esfuerzos ambientales debido a su estructura molecular. Sus propiedades se encuentran indexadas en la tabla 2 las cuales son suministradas por el proveedor del producto, Química Comercial Andina S. A (referencia GF 4950). Tabla 2. Propiedades mecánicas del PEAD. 25.

(26) IQ-2005-I-17 EL anhídrido maléico utilizado como agente de acople ó compatibilizador fue polietileno maleato, suministrado por Phenix plastics en el lote 2010 con 10 Lbs de peso neto como presentación. Este polietileno maleato es un polietileno lineal con una adición del 8% en peso de anhídrido maléico, el cual el fabricante recomienda usar en una proporción del 10% al 12.5% en peso sobre la composición total de la mezcla.. Finalmente como fibra de refuerzo se utilizo cascarilla de café del cual se sabe que tienes las siguientes características: densidad de granel según norma ASTM E873 “standar test method for bulk density of densifyied particulate fuels” de 0.329 gr/cc y porcentaje de humedad 10% en peso.segun norma ASTM E871 “Standard test method for moisture analysis of particulated woodfuels”19. Ilustración 3. Cisco de café. 3.2. PREPARACION DEL MATERIAL COMPUESTO. El desarrollo del material compuesto matriz-refuerzo y ensayos mecánicos involucra 10 etapas que tienen inicio con la reducción de tamaño mediante un molino casero.. 3.2.1. Tamizado. 19. Muñoz. Juan Carlos. “Desarrollo de un material compuesto con refuerzo ligno-celulósico: Matriz polipropileno, refuerzo: cisco de café”. Tesis no publicada. Universidad de los Andes. 2002. 26.

(27) IQ-2005-I-17 Una vez se ha reducido el tamaño de la cascarilla, se procede a realizar una separación mediante un proceso de tamizado en el agitador Ro-Tap model B testing sieve shaker de la ilustración 4, separando el cisco en los tres tamaños correspondientes a los niveles establecidos para el factor de tamaño de partícula.. Ilustración 4. Agitador Ro-Tap. 3.2.2. Secado Debido a ser un material altamente higroscópico para el que la tasa de absorción de humedad es muy alta y puede cambiar de 1% a 2% en menos de dos minutos, una vez se tiene el cisco procesado que será utilizado se procede necesariamente a una etapa de secado en un horno de calentamiento conectivo (horno BLUE M, ilustración 5) a 103 ºC por unas 20 horas, de tal forma que al final del ciclo o cuando el material este presto a ser mezclado tenga un porcentaje de humedad menor al 1%, garantizando que en el mezclado no habrán inconvenientes en el acople entre la matriz y refuerzo debido a la liberación de vapores, además de mal formaciones en el producto terminado como burbujas en la superficie de las piezas.. Ilustración 5. Horno BLUE M. 27.

(28) IQ-2005-I-17. 3.2.3. Mezclado. Habiendo concluido con el proceso de secado de la cascarilla de café, se realiza la mezcla de los componentes en el reómetro de torque Brabender plasticorder PL 331 de la ilustración 6, con un mezclador interno W50H y motor DC de 4.5 Hp que permite el suministro de velocidades de 5 a 120 min. -1. y torques entre 0 y 200 Nm. censados por un dinamómetro interno.. Las mezclas fueron hechas por lotes de 40 gramos, correspondientes a la capacidad del equipo, en las proporciones contenidas en la tabla 3, de tal forma que antes de depositar los componentes a mezclar en el Brabender se premezclaban en un recipiente para luego si ser introducidos en el mezclador a 175 ºC por 5 minutos, tiempo para el cual el torque se estabiliza indicando que la mezcla es homogénea. Inicialmente el proceso de mezclado se lleva a una velocidad de 20 rpm, pero una ves la matriz alcanza su punto de plastificación se lleva a 40 rpm.. Ilustración 6. Reómetro de torque Brabender plasticorder. 28.

(29) IQ-2005-I-17 Tabla 3. Formulaciones. 1.1.1 MOLIENDA. Luego de que el material es mezclado completamente se lleva a cabo una nueva molienda en el molino de muelas Condux Cs-150 de la ilustración 7, por unos 15 ó 20 minutos con el fin de granularlo y dejarlo apto como en la ilustración 8, para el proceso de moldeado.. Ilustración 7. Molino de muelas Condux Cs-150. 29.

(30) IQ-2005-I-17. Ilustración 8. Mezcla granulada. 3.2.4. Moldeo de probetas. A partir del material molido se hacen las láminas para las probetas de los ensayos mecánicos por compresión de acuerdo a la norma ASTM D4703 “Standard test method for compresion molding thermoplastics materials into test specimens plaques or sheets”, en la prensa DAKE de la ilustración 9, en la cual se mantuvieron las siguientes condiciones de moldeo •. Temperatura de moldeo: 175 ºC. •. Tiempo de fundido: 10 minutos. •. Tiempo de presión sostenida: 1 minuto. •. Carga: 60000 lbs. •. Temperatura de retiro: 37ºC. •. Flujo de agua a placas: 10 gal/min. 30.

(31) IQ-2005-I-17. Ilustración 9. Prensa DAKE. 3.2.5. Troquelado. Las láminas rectangulares de 3 mm espesor de la ilustración 10 son troqueladas finalmente para sacar las probetas para el ensayo de creep que tienen 6.5 cm de longitud, 1.2 cm de longitud de cuello, 2 cm de ancho, 3mm de ancho en el cuello y por su puesto 3 mm de espesor de la ilustración 12.. Ilustración 10. Lámina de moldeo. Ilustración 11. Molde de Troquelado. 31.

(32) IQ-2005-I-17. Ilustración 12. Probetas para Creep. 3.2.6. Acondicionamiento. Una vez la probetas están listas son acondicionadas manteniendo una temperatura y humedad controlada respectivamente de 23 ºC y 50% de humedad relativa por lo menos por 40 horas antes de llevar a cabo el ensayo de creep. 3.2.7. Pruebas mecánicas. Los ensayos de creep se llevaron a cabo en dos montajes que tienen un espacio total para de prueba correspondiente a 9 probetas, estos montajes constan de una barra horizontal de la que cuelgan las probetas por medio de unas mordazas superiores, las mordazas inferiores son usadas para el aprovisionamiento de la respectiva carga. Además, estos montajes cuentan con un sistema de cronómetros integrados que permiten verificar con exactitud el tiempo que haya corrido durante la prueba. Las pruebas son llevadas a cabo tanto en el laboratorio a temperatura ambiente (1520ºC), como en un horno similar a un cuarto frío como el de ilustración 14, para el cual se mantuvo estable una temperatura de 50 ºC mediante un sistema de control de temperatura.. 32.

(33) IQ-2005-I-17 El desarrollo de esta prueba consiste en elegir un numero de cargas simétricas a partir de la carga de ruptura del material, en este caso tres, para cada punto de observación las cuales fueron de 7.5 Kg, 9.5 Kg y 12.5 Kg que generan un esfuerzo respectivo de 8.25 MPa, 10.32 MPa y 12.55 MPa, con las cuales se busca establecer una curva de tiempo de ruptura contra esfuerzo para cada nivel del factor temperatura.. Ilustración 13. Montaje a Temperatura ambiente 50ºC. Ilustración 15. Termocupla para verificar T del horno horno. Ilustración 14. Horno para pruebas a. Ilustración 16. Montaje al interior del. 33.

(34) IQ-2005-I-17. 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. En este capitulo se discute a cerca del análisis de la significancia de los resultados obtenidos de la fase de experimentación enlistados en las tablas 4 – 9 de los ensayos de creep, permitiendo conocer cual es la medida del error maneja durante la investigación. Tabla 4. Resultados T amb y 8.25 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga de 7,5 Kg aprox contenido tamaño. 40%. 50%. 60%. 30-40. 208,85. 173,5. 146,25. 40-50. 267,3. 323,65. 431,7. 50+. 319,6. 420,71. 522. Tabla 5. Resultados T amb y 10.32 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga 9,5 Kg aprox contenido tamaño. 40%. 50%. 60%. 30-40. 188,5. 105,45. 90,5. 40-50. 170,2. 247,85. 253,55. 181,64. 247,4. 293,8. 50+. Tabla 6. Resultados T amb y 12.55 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga 12,5 Kg aprox contenido tamaño. 40%. 50%. 60%. 30-40. 11,2. 9. 1,45. 40-50. 14,5. 21,75. 36,2. 20,35. 38,9. 43,7. 50+. Tabla 7. Resultados T 50ºC y 8.25 MPa (esfuerzo) (T 50ºC) tiempo (h) para carga de 7,5 Kg aprox contenido tamaño. 40%. 50%. 60%. 30-40. 116,9. 72,85. 78,65. 40-50. 154,25. 248,15. 286,65. 50+. 222,25. 320,95. 352,35. 34.

(35) IQ-2005-I-17 Tabla 8. Resultados T 50ºC y 10.32 MPa (esfuerzo) (T 50ºC) tiempo (h) para carga 9,5 Kg aprox contenido tamaño. 40%. 50%. 60%. 30-40. 74,25. 64,5. 42,45. 40-50. 105,1. 142,8. 253,55. 96,8. 145,1. 236,4. 50+. Tabla 9. Resultados T 50ºC y 12.55 MPa (esfuerzo) (T 50ºC). tamaño. tiempo (h) para carga 12,5 Kg aprox (T 50ºC) contenido 40%. 50%. 60%. 30-40. 10,65. 8,2. 1,3. 40-50. 14,55. 18,45. 30,5. 50+. 17,85. 32,5. 32,35. Como el objetivo del ensayo de creep de ruptura es indicar el límite de capacidad de carga dentro del contexto de tiempo-dependencia y termo-dependencia, generando una curva de esfuerzo contra tiempo de ruptura, para la cual el parámetro independiente es el esfuerzo que esta sujeto a la elección de diferentes cargas (7.5, 9.5 y 12.5 kilogramos en este caso), es necesario separar las respuesta de los diferentes niveles para los distintos factores en los tres esfuerzos producto de estas cargas para poder llevar a cabo el análisis de varianza, el cual se desarrollo mediante el software de estadística Minitab 14, indicando cual es el estado de la variable error y cuyos resultados se encuentran a continuación.. 4.1. ESFUERZO DE 8.25 MPa. Mediante los resultados de las pruebas estadísticas de Kolmogorov Smirnov y de residuos a los datos obtenidos para este esfuerzo presentados en ilustración 17, se corroborar la hipótesis de normalidad necesaria, de independencia y homogeneidad de varianza, ya que como es posible apreciar tanto en las graficas residuales como en el histograma de la variable de respuesta, respectivamente se muestra un ajuste de datos a una línea recta y un comportamiento aproximado a una distribución normal, además el comportamiento de la varianza evaluado respectó a valores esperados mediante la grafica de residuos contra valores esperados o fitted values. 35.

(36) IQ-2005-I-17 enseña que no hay ningún patrón ó relación de los residuos con otras variables como la magnitud de medición, por lo tanto es posible hacer uso del modelo ANOVA.. Residual Plots for tiempo de ruptura (h) 8.25MPa Normal Probability Plot of the Residuals. Percent. 90 50 10 1. Residuals Versus the Fitted Values Standardized Residual. 99. -2. -1 0 1 Standardized Residual. 2. 2 1 0 -1 -2. Histogram of the Residuals Standardized Residual. Frequency. 6 4 2 -1,5. -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Standardized Residual. 200. 300 Fitted Value. 400. 500. Residuals Versus the Order of the Data. 8. 0. 100. 1,5. 2 1 0 -1 -2. 1. 5. 10. 15 20 25 Observation Order. 30. 35. Ilustración 17. Gráficas residuales para 8.25 MPa. Histogram of tiempo de ruptura (h) 8.25 MPa Normal 7. Mean StDev N. 6. 259,3 127,8 36. Frequency. 5 4 3 2 1 0. 0. 120. 240 360 tiempo de ruptura (h). 480. Ilustración 18. Histograma tiempo de ruptura 8.25 MPa. 36.

(37) IQ-2005-I-17. La hipótesis nula planteada para el factor de porcentaje de refuerzo indica que los promedios de tiempo de ruptura para los diferentes niveles sean iguales, mientras que la hipótesis alterna sugiere que la respuesta de tiempo de ruptura es diferente por lo menos para dos niveles. De igual forma se plantean las hipótesis nula y alterna para los factores de tamaño de refuerzo y temperatura al igual que para las interacciones o efectos secundarios de los factores que son usadas para el análisis de los resultados de la ANOVA enseñada en la tabla número 4. De la cual es posible extraer y afirmar bajo un nivel del 95% de significancia que se puede rechazar la hipótesis nula y afirmar que existe diferencia entre la respuesta al tiempo de ruptura para las diferentes composiciones al variar el porcentaje de refuerzo, el tamaño del mismo y la temperatura, al igual que con la interacción entre el porcentaje y el tamaño del refuerzo ya que se obtuvo un p-value menor al nivel de significancia establecido que es de 0.05, sin embargo en cuanto a los otros efectos secundarios no es posible concluir que sus respuestas difieran significativamente ya que los p-value son mucho mas grande que el nivel de significancia lo que indica que estos no se encuentran ni en las regiones de aceptación o rechazo de las hipótesis nulas. Tabla 10. ANOVA esfuerzo 8.25 MPa. 4.2. ESFUERZO DE 10.32 MPa. De la misma forma que para el esfuerzo de la sección anterior a través de los resultados de las pruebas estadísticas de Kolmogorov Smirnov y de residuos a los. 37.

(38) IQ-2005-I-17 datos obtenidos para este esfuerzo presentados en la ilustración 19, es posible confirmar los supuestos de distribución normal, de independencia y homogeneidad de varianza, debido a que se encuentra un ajuste lineal de datos en la grafica de residuos contra probabilidad acumulada y se halla una distribución normal tanto en el histograma de residuos como en el histograma de la variable de respuesta para este esfuerzo, además se observa la independencia de los residuos al no presentar relación alguna con otras variables de magnitud de. medición. Indicando la. posibilidad de hacer uso del modelo ANOVA.. Residual Plots for tiempo de ruptura (h) 10.32 MPa Normal Probability Plot of the Residuals. Percent. 90 50 10 1. Residuals Versus the Fitted Values Standardized Residual. 99. -2. -1 0 1 Standardized Residual. 2. 2 1 0 -1 -2. Histogram of the Residuals Standardized Residual. Frequency. 7,5 5,0 2,5 -2. -1 0 1 Standardized Residual. 200 Fitted Value. 300. Residuals Versus the Order of the Data. 10,0. 0,0. 100. 2. 2 1 0 -1 -2. 1. 5. 10. 15 20 25 Observation Order. 30. 35. Ilustración 19. Gráficas residuales para 10.32 MPa. 38.

(39) IQ-2005-I-17. Histogram of tiempo de ruptura (h) 10.32 MPa Normal 8. Mean StDev N. 7. 163,4 79,54 36. Frequency. 6 5 4 3 2 1 0. 0. 80. 160 240 tiempo de ruptura (h). 320. Ilustración 20. Histograma tiempo de ruptura 10.32 MPa. De la misma manera que en el punto anterior, fueron planteadas las hipótesis nulas y alternas para el análisis de los resultados con base de la ANOVA de la tabla 5, a partir de la cual es posible afirmar bajo un nivel del 95% de confianza, que se muestra evidencia estadística suficiente para rechazar la hipótesis nula y aseverar que existe diferencia entre la respuesta al tiempo de ruptura para los diferentes arreglos del compuesto, al igual que con la interacción entre el porcentaje y el tamaño del refuerzo ya que se obtuvo un p-value menor al nivel de significancia establecido de 0.05, a diferencia de los restantes efectos secundarios enlistados en la tabla 5 para los que el p-value es mucho mayor al nivel de significancia, siendo imposible determinar si se rechaza o acepta la hipótesis nula respectiva. Tabla 11. ANOVA esfuerzo 10.32 MPa. 39.

(40) IQ-2005-I-17 4.3. ESFUERZO DE 12.55 MPa Nuevamente a partir de los resultados de las pruebas de residuos y de Kolmogorov Smirnov de los datos extraídos de la experimentación para este esfuerzo observados en la ilustración 21 se verifica la validez de los suposiciones de normalidad y varianza constante con la linealidad de la grafica de probabilidad normal de residuos, los histogramas de residuos y de la variable de respuesta, además de la falta de ajuste de los residuos a alguna tendencia, confirmando la posibilidad de aplicar el modelo ANOVA.. Residual Plots for tiempo de ruptura (h) 12.55 MPa Normal Probability Plot of the Residuals. Percent. 90 50 10 1. Residuals Versus the Fitted Values Standardized Residual. 99. -2. -1 0 1 Standardized Residual. 2 1 0 -1 -2. 2. 0. Frequency. 8 6 4 2 0. -2. -1 0 1 Standardized Residual. 20 30 Fitted Value. 40. Residuals Versus the Order of the Data Standardized Residual. Histogram of the Residuals. 10. 2. 2 1 0 -1 -2 1. 5. 10. 15 20 25 Observation Order. 30. 35. Ilustración 21. Gráficas residuales para 12.55 MPa. 40.

(41) IQ-2005-I-17. Histogram of tiempo de ruptura (h) 12.55 Mpa Normal 9. Mean StDev N. 8. 20,21 13,20 36. 7 Frequency. 6 5 4 3 2 1 0. 0. 12 24 tiempo de ruptura (h). 36. 48. Ilustración 22. Histograma tiempo de ruptura para 12.55 MPa. Una vez más, el planteamiento de las hipótesis nula y alterna para cada factor e interacción se realizo de la misma manera que en los dos puntos anteriores siguiendo el modelo factorial de efectos fijos para ser usadas con los resultados de la siguiente ANOVA en tabla 6. Este análisis de varianza indica con un 95% que la respuesta al tiempo de ruptura para una carga de 12.55 MPa es diferente para los factores de porcentaje de refuerzo y tamaño de refuerzo al igual que para la relación de porcentaje con tamaño, mas no para la temperatura a diferencia de la respuesta encontrada en los dos puntos anteriores para cargas menores cuyos esfuerzos fueron 8.23 y 10.32 MPa respectivamente. De nuevo se encontró que no hay evidencia estadística alguna para poder rechazar la hipótesis nula para las restantes interacciones.. 41.

(42) IQ-2005-I-17 Tabla 12. ANOVA esfuerzo 12.55 MPa. 42.

(43) IQ-2005-I-17. 5. EVALUACIÓN FENOMENOLÓGICA. A partir de los resultados obtenidos para los análisis de varianza es posible tratar de dar una explicación al fenómeno de visco-elasticidad experimentado por el material evaluado al variar los factores de acuerdo a los niveles establecidos con un alto grado de significancia, logrando los resultados relacionados y resumidos en las ilustraciones 23, 24 y 25, que respectivamente representan cada esfuerzo evaluado. Estas ilustraciones enseñan la variable de respuesta, es decir el tiempo de ruptura, sobre el eje Y mientras que en el eje X se encuentran los niveles de los factores evaluados, nombrados igualmente en el grafico. Estos niveles se encuentran referenciados, de la siguiente forma: en el factor temperatura el uno indica 18 ºC mientras que el dos 50º C; para el factor de tamaño de refuerzo el uno indica partículas que pasan por el tamiz estándar malla 50 (partículas más pequeñas), el dos indica partículas atrapadas entre los tamices estándar malla 40 y malla 50 y finalmente el 3 indica partículas atrapadas entre los tamices malla 30 y malla 40 (partículas mas grandes); y en relación al factor de porcentaje de refuerzo los números uno, dos y tres indican correspondientemente porcentajes en peso de 40, 50 y 60%.. 43.

(44) IQ-2005-I-17. Ilustración 23. Respuesta Vs Factores 8.25 MPa. Ilustración 24. Respuesta Vs Factores 10.32 MPa. 44.

(45) IQ-2005-I-17. Ilustración 25. Respuesta Vs Factores 12.55 MPa. A partir del comportamiento de los diferentes puntos de observación según las ilustraciones 23, 24 y 25 además de los esquemas de efectos principales y de interacción en las ilustraciones 26, 27 y 28 hay inicialmente dos observaciones destacadas en el sentido estricto del desempeño tiempo y termo dependiente del material, acerca del cual se pueden plantear explicaciones con bastante generalidad al estar respaldadas por los análisis de varianza.. En primer lugar, como es posible observar en las ilustraciones 23 a 28 para los tres esfuerzos, el desempeño del material respecto a su habilidad para soportar una carga constante y duradera disminuye con el aumento de la temperatura, a partir de lo cual es posible inferir que la razón del comportamiento creep aumenta con esta variable, es decir la velocidad de aparición y permanencia de las fases que lo componen, pese a no existir una deformación apreciable. Llegando a ser este ultimo hecho la tercera observación de mayor interés. Luego al enfocar la atención en las temperaturas seleccionadas. que se encuentran dentro del rango de temperatura descrito por. Sirotkin llamado la transición β20, es factible a tribuir la notable diferencia de. 20. Referencia [15]. 45.

(46) IQ-2005-I-17 respuesta del material a este factor, a un aumento de movilidad para la fase amorfa de la matriz21, seguramente debido a una expansión del volumen libre entre moléculas, producto de la acción directa del efecto de la temperatura, cuya consecuencia es el aumento de movimiento de las cadenas del polímero, que desde luego no debería ser igual para la expansión en la matriz (PEAD) sin refuerzo en el que el espacio libre se encuentra afectado por las partículas de la fibra de refuerzo (cisco de café) que se constituyen como un claro obstáculo. Sin embargo existe una excepción a este comportamiento ubicada en el escenario en que hay una mayor carga (12.5 Kg) como se aprecia en las graficas de efectos principales y de interacción para este esfuerzo en las ilustraciones 29, 30 y 31 , lo cual es corroborado por el análisis de varianza para el esfuerzo ejercido por esta, que lleva a pensar que el hecho de que la temperatura no afecte el tiempo de ruptura del material este basado netamente en un menor tiempo de exposición a esta variable producto precisamente de la carga, determinando que la diferencia entre las propiedades visco-elásticas para cada caso o cada muestra es dominada por las otras dos variables evaluadas, el porcentaje de refuerzo y el tamaño de este.. Main Effects Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 8.25 MPa % refuerzo. tamaño refuerzo. Mean of tiempo de ruptura (h). 350 300 250 200 150 1. 2 temperatura. 3. 1. 2. 3. 350 300 250 200 150 1. 2. Ilustración 26. Gráfica de efectos principales 8.25 MPa 21. Referencia [8]. 46.

(47) IQ-2005-I-17. Main Effects Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 10.32 MPa % refuerzo. tamaño refuerzo. Mean of tiempo de ruptura (h). 200 175 150 125 100 1. 2 temperatura. 3. 1. 2. 3. 200 175 150 125 100 1. 2. Ilustración 27. Gráfica de efectos principales 10.32 MPa. Main Effects Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 12.55 MPa % refuerzo. tamaño refuerzo. Mean of tiempo de ruptura (h). 30 25 20 15 10 1. 2 temperatura. 3. 1. 2. 3. 30 25 20 15 10 1. 2. Ilustración 28. Gráfica de efectos principales 12.55 MPa. 47.

(48) IQ-2005-I-17. Por otra parte con base en las graficas anteriores también es posible ver como el comportamiento visco elástico del material puede cambiar independientemente de la temperatura estando sujeto solamente a las variables de contenido y tamaño de fibra, lo cual nuevamente se encuentra corroborado por los tres análisis de varianza que sugieren efectos independientes para estas dos variables e incluso una interacción por parte de estas, que podría pensarse como la mejora general a través de un aumento en el tiempo de ruptura a medida que el tamaño de partícula es menor y el porcentaje de refuerzo es mayor reflejándose en los diagramas de interacción. Ahora, la observación anterior junto con el hecho de que no haya una deformación apreciable es un indicio de que hubo alguna alteración a la matriz, cuya explicación lógica, aun para las dos temperaturas seleccionadas, radica en que las partículas de la fibra ligno-celulósica actúan como un impedimento en la movilidad de la fase no cristalina de la matriz22, siendo un obstáculo para las cadenas poliméricas que están intentando acomodarse (normalmente alineándose en una dirección determinada) como respuesta al esfuerzo al que son sometidas, demostrando una menor capacidad de almacenamiento de energía por el doblamiento o estiramiento de los enlaces y la incapacidad de pasar de una cristalinidad aleatoria a una cristalinidad ordenada seguramente por un enfrentamiento entre un material que fluye (visco-elástico) y uno que no lo hace como lo es la cascarilla de café. Lo que se traduce como una ruptura súbita de las probetas, para las cuales no se presenta un encuellamiento apreciable propio de la etapa de “deformación” máxima, llegándose a pensar que por supuesto en el material compuesto se necesitaría de mayor tiempo que para la matriz sin refuerzo en el que las cadenas poliméricas reptan sin mayor dificultad orientándose en dirección del esfuerzo aplicado.. 22. Referencia [2]. 48.

(49) IQ-2005-I-17. Interaction Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 8.25 MPa 1. 2. 3. 1. 2 450. 300 % r efuer zo. % refuerzo 1 2 3. 150 450. 300 tamaño r efuer zo. tamaño refuerzo 1 2 3. 150. temper atur a. Ilustración 29. Gráfica de interacción 8.25 MPa. Ilustración 30. Gráfica de interacción 10.32 MPa. Interaction Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 10.32 MPa 1. 2. 3. 1. 2 240. 160. % r efuer zo. % refuerzo 1 2 3. 80 240. 160. tamaño r efuer zo. tamaño refuerzo 1 2 3. 80. temper atur a. 49.

(50) IQ-2005-I-17 Ilustración 31. Gráfica de interacción 12.55 MPa. Interaction Plot (data means) for tiempo de ruptura (h) 12.55 MPa 1. 2. 3. 1. 2 40. 20. % r efuer zo. 0 40. 20. tamaño r efuer zo. % refuerzo 1 2 3. tamaño refuerzo 1 2 3. 0. temper atur a. Una vez se ha establecido que la cascarilla de café actúa como refuerzo de la estructura cristalina del polietileno, es viable señalar, claro este sin demostrarlo por medio de ensayos en este proyecto, que la rigidez del material aumenta al igual que implícitamente lo hace su modulo, lo cual puede ser tomado como el puente que comunica las variables manejadas en la fibra con la temperatura, ya que como se puede observar en cualquier análisis mecánico dinámico en el que hay un barrido dentro de un rango de temperatura, que el modulo del material disminuye como consecuencia de una expansión térmica23 que se relaciona con la energía disipada durante el proceso.. Finalmente dando cumpliméntenlo al objetivo del ensayo de creep de ruptura es posible ver en las graficas ubicadas en el anexo h, como para un esfuerzo a determinada temperatura (ilustraciones Fdddd) se alcanza a destacar una diferencia en la elevación de las superficies al establecer los niveles de los factores de contenido y tamaño de refuerzo, corroborando la observación existente acerca del incremento de la razón de creep con el aumento de la temperatura, apreciándose mucho mejor en las graficas de tiempo de ruptura contra esfuerzo ejercido. 23. Referencia [12]. 50.

(51) IQ-2005-I-17. 6. CONCLUSIONES •. Con base a los resultados obtenidos y a los análisis de varianza y de fenómeno, es posible determinara que cada una de las variables evaluadas, es decir la temperatura, el porcentaje de refuerzo y el tamaño de partícula, al igual que la interacción entre las dos ultimas, son promotores de respuestas diferentes a la resistencia de una carga constante duradera.. •. El aumento de la temperatura hace aumentar la razón del fenómeno de creep para este tipo de materiales, la cual disminuye con la adición del refuerzo y mejora la respuesta a medida que este es más pequeño.. •. El fenómeno que se esta dando parece ser consecuencia explicita y puramente de una alteración en la matriz termoplástica que se torna en un impedimento de movilidad tanto para la fase cristalina como para la amorfa al estar la muestra expuesta a la temperatura y el esfuerzo ejercido por la carga seleccionada.. •. Con las sumas de cuadrados observadas en las ANOVAS es posible deducir que no hay una dispersión en los datos y que estos se ajustan aceptablemente al modelo de análisis escogido en el paquete estadístico (modelo general lineal).. •. A partir de los resultados obtenidos, se puede observar como hay una clara relación de dependencia del efecto de la temperatura en la variable de respuesta con el tiempo de exposición de la muestra ya que a medida que este es mas corto el efecto tiende a disiparse y tornarse poco relevante.. •. Finalmente, a pesar de trabajar en un rango pequeño de temperatura, los resultados enseñan como la temperatura puede llegar a influenciar la respuesta mecánica del material, por ende frente al uso de este en posiciones geográficas que enseñen climas muy diferentes, debe esperarse cambios en el comportamiento del material y más cuando se esta tratando de una aplicación con un carácter fuerte de larga duración.. 51.

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(55) IQ-2005-I-17. ANEXOS A.. RESULTADOS. Creep temperatura ambiente formulación 1 tamaño pasa por tamiz # 50 contenido cisco 40% carga (kg) 7,489 9,508 12,548 esfuerzo (Mpa) 8,154688889 10,3531556 13,6633778 tiempo original (h) 356 144,98 24,5 tiempo replica (h) 283,2 218,3 16,2 promedio 319,6 181,64 20,35 tiempo org (días) 14,83333333 6,04083333 1,02083333 tiempo rep (días) 11,8 9,09583333 0,675 DESVESTA 2,14489057 2,16021122 0,2445411 Creep temperatura ambiente formulación 2 tamaño pasa por tamiz # contenido cisco 50% carga (kg) 7,577 9,5 esfuerzo (Mpa) 8,250511111 10,3444444 tiempo original (h) 396,72 264,2 tiempo replica (h) 444,7 230,6 promedio 420,71 247,4 tiempo org (días) 16,53 11,0083333 tiempo rep (días) 18,52916667 9,60833333 DESVESTA 1,413624307 0,98994949. Creep temperatura ambiente formulación 3 tamaño pasa por tamiz # contenido cisco 60% carga (kg) 7,492 9,536 esfuerzo (Mpa) 8,157955556 10,3836444 tiempo original (h) 489 313,8 tiempo replica (h) 555 273,8 promedio 522 293,8 tiempo org (días) 20,375 13,075 tiempo rep (días) 23,125 11,4083333 DESVESTA 1,944543648 1,1785113. 50 12,556 13,6720889 43 34,8 38,9 1,79166667 1,45 0,24159482. 50 12,55 13,6655556 50,9 36,5 43,7 2,12083333 1,52083333 0,42426407. 55.