Facultad de ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica
EFECTOS DE VARIABLES DE PROCESO DE EXTRUSIÓN SOPLADO EN
LAS PROPIEDADES FINALES DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
Documento de tesis para optar por el título de maestría en ingeniería mecánica
Julio de 2013
Presentado por:
Laura Viviana Pico Viviescas
Cód. 200411625
2
EFECTOS DE VARIABLES DE PROCESO DE EXTRUSIÓN SOPLADO EN LAS PROPIEDADES
FINALES DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
Tesis para optar por el título de Magister en INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTADO POR
LAURA VIVIANA PICO VIVIESCAS
Ingeniera Química
ASESOR
JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA
Doctor Ingeniero Industrial, Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C., COLOMBIA
3
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 9
2. OBJETIVOS... 11
Objetivo general ... 11
Objetivos específicos ... 11
3. ESTADO DEL ARTE ... 12
3.1. Proceso de extrusión soplado ... 12
3.1.1. Formación del parison ... 12
3.1.2. Sellado y soplado del parison ... 13
3.1.3. Enfriamiento y solidificación del fundido formado ... 13
3.2. Polietileno de alta densidad (PEAD) ... 13
3.2.1. Morfología ... 14
3.2.2. Propiedades físicas del PEAD ... 15
3.2.3. Propiedades mecánicas del PEAD ... 15
3.3. Efecto de variables de proceso en las propiedades ... 16
3.3.1. Morfología... 16
3.3.2. Densidad ... 16
3.3.3. Propiedades de Impacto ... 17
3.4. Diseño de experimentos ... 17
3.4.1. Principios básicos ... 18
3.4.2. Etapas del diseño de experimentos ... 18
3.4.3. Clasificación y selección de los diseños experimentales ... 19
3.4.4. Diseño experimental factorial 2K... 20
3.4.5. Diseño experimental 2k con la adición de puntos centrales ... 21
4. EXPERIMENTAL ... 22
4.1. Materiales... 22
4.2. Caracterización de la resina ... 22
4.2.1. Propiedades físicas. ... 22
4.2.2. Propiedades térmicas ... 22
4
4.2.4. Propiedades reológicas ... 24
4.3. Diseño experimental a escala laboratorio ... 24
4.3.1. Verificación de los rangos y los valores de las variables... 25
4.4. Desarrollo del diseño experimental factorial 25 a escala laboratorio ... 25
4.4.1. Equipo de extrusión soplado a escala laboratorio ... 25
4.4.2. Ciclo de extrusión soplado a escala laboratorio ... 25
4.5. Medición de las propiedades finales de la botella... 27
4.5.1. Propiedades físicas ... 27
4.5.2. Propiedades térmicas ... 29
4.5.3. Propiedades mecánicas ... 29
4.6. Análisis del diseño experimental factorial 25 y de varianza (ANOVA) ... 29
4.7. Diseño experimental a escala industrial... 30
4.8. Desarrollo del diseño experimental factorial 23 con puntos centrales a escala industrial 31 4.8.1. Equipo de extrusión soplado a escala industrial ... 31
4.8.2. Ciclo de extrusión soplado a escala industrial ... 32
4.9. Medición de las propiedades finales de la silla ... 32
4.9.1. Propiedades físicas ... 33
4.9.2. Propiedades mecánicas ... 34
4.10. Análisis del diseño experimental 23 con puntos centrales ... 35
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 36
5.1. Caracterización de la resina ... 36
5.1.1. Propiedades físicas ... 36
5.1.2. Propiedades térmicas ... 36
5.1.3. Propiedades Reológicas ... 37
5.1.4. Propiedades mecánicas ... 38
5.2. Planteamiento del diseño experimental a escala laboratorio ... 39
5.2.1. Verificación de rangos y valores de las variables... 39
5.1. Medición de las propiedades finales de la botella... 39
5.1.1. Propiedades físicas ... 39
5.1.2. Propiedades térmicas ... 47
5.1.3. Propiedades mecánicas ... 48
5
5.2.1. Propiedades físicas ... 51
5.2.2. Propiedades mecánicas ... 56
6. CONCLUSIONES ... 59
7. REFERENCIAS ... 60
ANEXOS ... 62
ANEXO A. Ficha técnica del polietileno de alta densidad ... 63
ANEXO B. Resultados propiedades finales de las botellas... 64
6
Lista de Figuras
Figura 1. Representación esquemática de las cadenas de polietileno de alta densidad ... 14
Figura 2. Representación de una lamela ... 14
Figura 3. Representación esquemática de una esferulita conformada por lamelas ... 15
Figura 4. Celda unitaria ortorrómbica del polietileno con las dimensiones de todos sus lados ... 15
Figura 5. Clasificación de los diseños experimentales [16]... 20
Figura 6. Esquema de los ensayos que se realizaron al polietileno de alta densidad... 22
Figura 7. Equipo de extrusión soplado utilizado para la experimentación a escala laboratorio. (a) vista lateral, (b) vista frontal ... 27
Figura 8. Tiempo de ciclo largo con velocidad de tornillo en el nivel inferior y tiempo de soplado en el nivel superior (línea roja) y tiempo de ciclo corto conformado por una velocidad de extrusión en el nivel superior y un tiempo en el nivel inferior (línea verde). ... 27
Figura 9. Dimensiones de la botella ... 28
Figura 10. (a) Esquema de la dirección de corte de las 12 secciones obtenidas, (b) Sección del medio de la botella obtenida a partir de los cortes realizados. ... 29
Figura 11. Extrusora utilizada para la experimentación a escala industrial. (a) Vista frontal, (b) vista lateral de las cuatro zonas de calentamiento presentes en el tornillo de extrusión. ... 31
Figura 12. Tiempo de ciclo de máquina largo con presión de extrusión en el nivel inferior y tiempo de soplado en el nivel superior y tiempo de ciclo corto conformado por una presión de extrusión en el nivel superior y un tiempo en el nivel inferior. ... 33
Figura 13. Esquema de las dimensiones medidas en (a) el espaldar y, (b) el asiento de las sillas. .. 34
Figura 14. (a) Vista frontal de la silla que muestra las 4 secciones (a-A, B-B, C-C y D-D) donde se tomaron datos de espesores. (b) vista lateral de la silla que muestra tres de las cuatro secciones donde se midieron los espesores. (c) corte longitudinal de la sección B-B que presenta las posiciones donde se midieron los espesores. ... 35
Figura 15. Gráfica del primer ciclo de calentamiento (rojo) y del ciclo de enfriamiento (verde) del polietileno de alta densidad. ... 36
Figura 16. Reograma de viscosidad del polietileno de alta densidad medido a 180°C. ... 37
Figura 17. Masa promedio de las botellas producidas a las condiciones correspondientes a las 32 corridas del diseño experimental a escala laboratorio. ... 40
Figura 18. (a) Efecto de la interacción entre la velocidad de extrusión y la velocidad de enfriamiento. La línea roja es cuando el tiempo de enfriamiento es de 5 segundos y la línea azul corresponde a un tiempo de enfriamiento de 15s, (b) interacción entre velocidad de extrusión y tiempo de enfriamiento en la masa de las botellas. La línea roja es cuando la velocidad enfriamiento es de 180°C/min y la línea azul corresponde a la velocidad de enfriamiento de 230°C/min. ... 40
Figura 19. Densidad promedio de las botellas producidas a las condiciones correspondientes a las 32 corridas del diseño experimental a escala laboratorio. ... 41
Figura 20. Promedio y desviación del ancho de las 4 caras de las botellas medidas en la sección 5 para las 32 corridas. ... 42
7 Figura 21. Promedio y desviación de la longitud de las botellas correspondientes a las 32 corridas. ... 43 Figura 22. (a) Efecto de la interacción entre la temperatura de extrusión y tiempo de enfriamiento. La línea roja es a temperatura de extrusión de 187°C y la línea azul corresponde a una temperatura de extrusión de 215°C. (b) interacción entre velocidad de extrusión y tiempo de enfriamiento en la masa de las botellas. La línea roja corresponde a una velocidad de extrusión de 40rpm mientras que la azul corresponde a 50rpm. ... 43 Figura 23. Distribución de espesores en la sección 5 para cada una de las 32 corridas. ... 45 Figura 24. Distribución de espesores de pared en la posición (a) 4 y en la posición (b) 8 de las cuatro secciones de las botellas ... 46 Figura 25. Efecto de la interacción entre la velocidad de enfriamiento y la velocidad de extrusión en la suma de espesores de las cuatro secciones de las botellas. La línea roja indica velocidades que la velocidad de enfriamiento se encuentra en 180°C/min mientras que la azul corresponde a una velocidad de enfriamiento de 230°/min. ... 47 Figura 26. Resultados del módulo de elasticidad y (b) esfuerzo de fluencia al 2% y esfuerzo máximo de las botellas. ... 48 Figura 27. Efecto de la interacción entre la temperatura y la velocidad de extrusión en el módulo de elasticidad. La línea roja corresponde a la velocidad de extrusión de 40rpm mientras que la azul corresponde a la velocidad de extrusión de 50rpm. ... 49 Figura 28. Efecto de la interacción entre la temperatura y la velocidad de extrusión en el esfuerzo máximo. La línea roja corresponde a la velocidad de extrusión de 40rpm mientras que la azul corresponde a la velocidad de extrusión de 50rpm. ... 49 Figura 29. Resultados de la resistencia al impacto Izod de las botellas. ... 50 Figura 30. Resultados de la masa de las sillas. ... 52 Figura 31. Dimensiones de las sillas: LE y AE es la longitud y el ancho del espaldar,
respectivamente. LA es la longitud del asiento, AA es el ancho del asiento, D es la diagonal, H es el diámetro de la manija superior, DMD es el diámetro de la manija derecha y, DMI es el diámetro de la manija izquierda. ... 52 Figura 32. Distribución de espesores de la parte interna de: (a) el corte A-A, (b) el corte B-B, (c) el corte C-C y, (d) el corte D-D de las sillas realizadas en las 9 corridas experimentales. ... 54 Figura 33. Distribución de espesores de la parte interna y externa de las sillas producidas bajo la de la corrida 1. ... 54 Figura 34. Efecto de la interacción de la temperatura y la presión de extrusión en la sumatoria de espesores en el corte C-C de las sillas. La línea roja corresponde a una presión de extrusión de 2100psi y la azul corresponde a una presión de 3000psi. ... 55 Figura 35. (a) Resultados del módulo de elasticidad y (b) esfuerzo de fluencia al 2% y esfuerzo máximo de las botellas ... 56 Figura 36. (a) Resultados del módulo de elasticidad y (b) esfuerzo de fluencia al 2% y esfuerzo máximo de las botellas ... 57 Figura 37. Resultados de la resistencia al impacto Izod de las sillas... 57
8
Lista de Tablas
Tabla 1. Arreglo experimental seguido a escala laboratorio y a escala industrial ... 10
Tabla 2. Efecto de disminuir la cristalinidad en los polímeros semicristalinos [19]. ... 16
Tabla 3. Método de calentamiento/enfriamiento/calentamiento para las pruebas térmicas ... 23
Tabla 4. Condiciones a las cuales se realizó la prueba para determinar índice de fluidez. ... 24
Tabla 5. Selección de niveles para los factores. ... 25
Tabla 6. Diseño de experimentos de las variables de proceso de extrusión soplado. ... 26
Tabla 7. Propiedades finales medidas a las botellas. ... 28
Tabla 8. Procedimiento para el análisis del diseño factorial 2k ... 30
Tabla 9. Selección de niveles para los factores a escala industrial. ... 31
Tabla 10. Distribución de energía para el funcionamiento de la máquina ... 32
Tabla 11. Condiciones de soplo y moldeo constantes del proceso a escala industrial ... 32
Tabla 12. Propiedades finales medidas a las sillas. ... 33
Tabla 13. Resultados de las pruebas de densidad de sólido para el polietileno de alta densidad .. 36
Tabla 14. Propiedades térmicas del polietileno de alta densidad. ... 37
Tabla 15. Resultados del índice de fluidez y la densidad del fundido del PEAD ... 37
Tabla 16. Propiedades mecánicas del polietileno de alta densidad ... 38
9
1.
INTRODUCCIÓN
El proceso de extrusión soplado consiste de tres etapas consecutivas: (1) la extrusión, (2) sellado y soplado del parison y, (3) el enfriamiento y la expulsión del producto final. La historia termomecánica del polímero en estas tres etapas determina la microestructura y afecta tanto las dimensiones como las propiedades finales de los productos [1].
Existen múltiples aproximaciones para abordar el control de las propiedades de los productos obtenidos a partir de un proceso de transformación de polímeros. Por la diversidad de etapas ya descritas en el caso de la extrusión soplado y en particular por desarrollarse parte del proceso con exposición directa al medio ambiente que lo rodea, no existe en el mercado un sistema de simulación realimentado que acople las propiedades del material y las variables de proceso con las características deseables del producto final. En la medida que se desarrollen las tecnologías de control, las capacidades computacionales y se simulen correctamente las etapas individuales del proceso, muy probablemente se podrá alcanzar ese ideal. Parte de esta tarea se desarrolla con investigaciones que han dilucidado los fenómenos que ocurren en la formación de la manga [2-5] y la etapa de soplado [5-7]. Así mismo, un gran número de estudios [5,8-9] han reportado los aspectos de transferencia de calor asociados a la etapa de enfriamiento. Una herramienta alternativa para los ingenieros de producción en busca de la interacción entre procesos de múltiples variables y las características del producto final se puede abordar mediante la utilización de Diseño de Experimentos. Tal tipo de aproximación ha sido limitada en las investigaciones acerca de este proceso [10-12]. En general, estos han buscado correlacionar de manera empírica varias propiedades de estos artículos (resistencia al impacto, “aspecto”, alabeo, etc.) con las condiciones de operación (velocidad y temperatura de extrusión, presión de soplado, etc.) y/o algunas propiedades de la resina como densidad e índice de fluidez [5].
El presente trabajo tiene como objetivo determinar el efecto de las variables de proceso que más influencia tienen en las propiedades finales de dos productos diferentes producidos por extrusión soplado: botellas y sillas para el transporte masivo de pasajeros ambas hechas con polietileno de alta densidad, particularmente se busca establecer si esas variables tienen igual influencia en geometrías simétricas simples (botellas) y en volúmenes mayores con geo metrías de mayor complejidad (sillas de transporte masivo). El trabajo se divide en dos partes principales: experimentación a escala laboratorio y a escala industrial.
Los experimentos a escala laboratorio permitieron determinar las condiciones de proceso que mayor influencia tienen en las propiedades mecánicas. Esta determinación de las variables con más influencia a nivel laboratorio permitió gradualmente fijar un nuevo diseño experimental a escala industrial y de esta manera concluir si los efectos de las condiciones de operación son similares tanto para las botellas como para las sillas. La Tabla 1 presenta los diseños experimentales empleados en las dos escalas, así como las propiedades finales estudiadas tanto a escala laboratorio como a escala industrial.
10 Tabla 1. Arreglo experimental seguido a escala laboratorio y a escala industrial
Escala laboratorio Escala industrial
Producto Botellas Sillas de transporte masivo
Arreglo de diseño experimental
Diseño factorial 25 con dos réplicas
Diseño factorial 23 con puntos centralesy una réplica
Factores estudiados
- Temperatura extrusión - Velocidad extrusión - Velocidad de enfriamiento - Presión de soplado - Tiempo de enfriamiento
- Temperatura extrusión - Presión extrusión - Tiempo de enfriamiento
Propiedades físicas
- Masa - Densidad - Dimensiones
- Distribución de espesores de pared
- Masa - Dimensiones
- Distribución de espesores de pared
Propiedades térmicas
- Temperatura fusión - Entalpía fusión
- Porcentaje de cristalinidad
Ninguna
Propiedades mecánicas
- Modulo elasticidad - Esfuerzo fluencia - Esfuerzo máximo - Resistencia al impacto
- Modulo elasticidad - Esfuerzo fluencia - Esfuerzo máximo - Resistencia al impacto
11
2.
OBJETIVOS
Objetivo general
Comparar y analizar los efectos de las variables de proceso en las propiedades finales de dos piezas de polietileno de alta densidad con geometrías distintas producidas por extrusión soplado.
Objetivos específicos
Reconocer las variables de proceso que más influencia tienen en las propiedades finales del producto.
Determinar y cuantificar el efecto de las variables de proceso a escala laboratorio en las propiedades físicas, térmicas y mecánicas de una botella de polietileno de alta densidad.
Determinar y cuantificar el efecto de las variables de proceso a escala industrial en las propiedades físicas y mecánicas de una silla de transporte masivo de pasajeros de polietileno de alta densidad.
Establecer si el efecto de las variables de proceso en las propiedades finales es comparable tanto para piezas simétricas con geometrías sencillas (botellas) como para piezas de mayor tamaño con geometrías complejas (sillas).
12
3.
ESTADO DEL ARTE
El procesamiento de polímeros involucra la transformación de materiales poliméricos a partir de materias primas en productos finales. Es parte fundamental de la ciencia de polímeros y del campo de la tecnología [13].
Las resinas poliméricas se transforman comercialmente en productos útiles por medio de varios procesos los cuales han venido creciendo en volumen y sofisticación. La selección del procesamiento de determinado polímero depende de los requerimientos y las especificaciones del producto así como algunas consideraciones económicas. El moldeo por soplado es muy relevante para el sector de empaques y ocupa el tercer lugar en importancia global cuando se considera el porcentaje en peso de los materiales transformados por esta vía (11%). En Colombia el 25% de polietileno de alta densidad, el 5% de polietileno de baja densidad, el 10% del polipropileno y el 90% del PET se procesan por soplado, siendo el polietileno de alta densidad el que mayor ocupa el proceso de extrusión soplado [5].
3.1.
Proceso de extrusión soplado
El proceso de extrusión soplado consiste de tres etapas consecutivas:
(a) Formación del parison (b) Sellado y soplado del parison
(c) Enfriamiento y solidificación del fundido formado.
La etapa de enfriamiento representa la porción más larga del ciclo y determina una porción substancial de los costos de operación. Además, la historia térmica del parison durante la etapa de enfriamiento tiene un profundo efecto en la microestructura y en las propiedades finales del producto [5].
La ventaja de utilizar moldeo por extrusión soplado es la habilidad de este proceso para producir diseños variados de productos plásticos huecos. El proceso ofrece además facilidad de manejo y de producir piezas con formas intrincadas con los materiales termoplásticos disponibles en el mercado en la actualidad. Los artículos producidos por esta técnica tienen cualidades como su bajo peso, seguridad, son reciclables y de bajo costo [14].
El tipo de material es un factor que condicionará mucho la calidad del producto obtenido. Las resinas empleadas en extrusión-soplado deben tener viscosidad alta en estado fundido y además el fundido debe desarrollar una resistencia elevada, de modo que la deformación que sufra el material cuando sale de la máquina de extrusión hasta el soplado sea mínima. En caso contrario, el hinchamiento que sufre el material cuando sale de la boquilla de extrusión, junto con la deformación causada por el efecto de la gravedad cuando el parison queda colgando hacia abajo, provocarían un espesor muy grande en la parte inferior y deficiente en la parte superio r, que en algunos casos podría ser compensada con una programación del parison adecuada, pero que en la mayoría provocaría piezas de calidad deficiente. Otra característica importante de la resina es su extensibilidad que delimita la máxima relación de soplado que puede alcanzarse y si las esquinas y ángulos podrán moldearse de manera adecuada.
3.1.1. Formación del parison
La primera etapa para conseguir una pieza con las características finales adecuadas es la obtención del parison. El perfil de espesores del parison dependerá del tamaño de la boquilla y del mandril de la máquina de extrusión, por lo que el diseño de estas pares de la máquina de extrusión debe
13 ser muy preciso. En la mayoría de las extrusoras empleadas para la obtención del parison para soplado, los extremos de la boquilla y del mandril central son regulables, de modo que se puede modificar el diámetro interno del parison, y por lo tanto su espesor.
El flujo del parison es gobernado por dos fenómenos distintos: el hinchamiento y el escurrimiento. El hinchamiento es el ensanchamiento del parison tanto en diámetro como en espesor mientras el polímero fundido sale del dado. Es una manifestación de la naturaleza elástica del material mientras se recupera de la deformación impuesta durante el flujo en el dado. El escurrimiento, por otra parte, es causado por el efecto de las fuerzas gravitacionales actuando sobre el parison [6].
El fenómeno de hinchamiento tanto del diámetro como del espesor y el de escurrimiento se acoplan y por naturaleza son opuestos. Su importancia relativa determina las dimensiones finales del parison, y por lo tanto las propiedades del artículo final. El hinchamiento del diámetro y del espesor determina el peso del producto, el primero juega un papel adicional en el proceso si el artículo tienen una manija. El escurrimiento del parison determina la uniformidad de los espesores en la pared a lo largo de la botella [6].
3.1.2. Sellado y soplado del parison
El proceso de soplado consiste principalmente de las siguientes etapas:
1. Se cierra un molde que consiste de dos mitades alrededor del parison y se aprieta en sus dos extremos.
2. Se introduce la boquilla (pin) de soplado en el molde y se inyecta el aire a una presión previamente programada.
3. Se infla el parison contra las paredes refrigeradas del molde, el material toma la forma deseada.
3.1.3. Enfriamiento y solidificación del fundido formado
El enfriamiento y la solidificación es la etapa final del proceso de extrusión soplado. Esta etapa representa el 80% o más de la totalidad del proceso. Por lo tanto el tiempo de enfriamiento influencia de manera directa la productividad y el costo del proceso. Además, esta etapa también afecta las propiedades finales, como la cristalinidad, densidad, encogimiento, esfuerzos residuales, alabeo, propiedades mecánicas y permeabilidad de las piezas formadas. Por lo tanto, las tasas de enfriamiento o el tiempo de enfriamiento deben estar en un punto óptimo ya que un tiempo excesivo de enfriamiento limita la productividad mientras que un tiempo corto puede derivar en malformaciones de la pieza [13].
3.2.
Polietileno de alta densidad (PEAD)
El polietileno de alta densidad es químicamente la estructura más cercana al polietileno puro. Consiste principalmente de moléculas sin ramificaciones con muy pocas imperfecciones que impiden su linealidad. La forma general del polietileno de alta densidad se muestra en laFigura 1. Con un nivel de defectos extremadamente bajo de defectos para impedir su organización, el PEAD alcanza niveles de densidad bastante elevados (en relación con los otros tipos de polietileno). Las resinas de polietileno de alta densidad típicamente tienen densidades entre 0.94-0.97g/cm3 [17].
14 Figura 1. Representación esquemática de las cadenas de polietileno de alta densidad
3.2.1. Morfología
El polietileno tiene estructura semicristalina, es decir que tiene regiones que muestran organización a corto alcance, asociadas normalmente a los cristales, intercaladas con regiones que tienen muy poco orden.
En estado fundido, las cadenas de polietileno adoptan una configuración denominada “ovillo aleatorio”, los ovillos de las moléculas adyacentes superponen permitiendo que las cadenas se enreden hasta un nivel que depende básicamente de la longitud y concentración de las cadenas.
Cuando el polietileno fundido se solidifica, en algunas regiones, las cadenas se organizan en pequeños cristales denominados cristalitas. Las cadenas desordenadas rodean estas cistalitas, esa es la esencia de la semicristalinidad [17].
Cuando el polietileno cristaliza, lo hace hasta cierto punto lo que quiere decir que los cristales son de tamaño finito. La forma más común de crecimiento de cristales del polietileno es aquella en que las dimensiones a y b de las cristalitas son mucho más grandes que la dimensión c. Este tipo de cristalitas se llaman lamela(ver Figura 2). Las lamelas del polietileno tienen desde 50 hasta 200Å de espesor [17].
Figura 2. Representación de una lamela
Las estructuras a larga escala más comunes del polietileno, compuestas por regiones cristalinas y no cristalinas se llaman esferulitas, esto debido a que su forma de crecimiento es esférico donde las lamelas crecen hacia afuera en la dirección radial a partir de los sitios de nucleación. La Figura 3 muestra una representación esquemática de una esferulita. El grupo de lamelas que conforman una esferulita se organizan de tal manera que sus lados b(la dirección en la cual ocurre el crecimiento) están alineados con el radio de la esferulita [17].
a
b
15 Figura 3. Representación esquemática de una esferulita conformada por lamelas
Los cristales del polietileno, en su gran mayoría son de naturaleza ortorrómbica (ver Figura 4), este tipo de cristal tiene dimensiones diferentes en todos sus lados formando ángulos de 90° entre ellos.
Figura 4. Celda unitaria ortorrómbica del polietileno con las dimensiones de todos sus lados
3.2.2. Propiedades físicas del PEAD
Densidad_ La densidad es probablemente el principal factor para describir cualquier tipo de polietileno, esto debido a que muchas de las propiedades físicas de este polímero se pueden predecir basándose únicamente en la densidad. La relación entre ciertas propiedades mecánicas y la densidad de una muestra radica en la naturaleza semicristalina del polietileno, entre mayor sea la porción de fases cristalinas (cristalinidad), mayor va a ser la densidad.
Los factores que determinan la densidad de una muestra de polietileno son aquellos que afectan su grado de cristalinidad (relación entre la fase amorfa y la cristalina), entonces la densidad es función del peso molecular, contenido de ramificaciones y condiciones de preparación.
3.2.3. Propiedades mecánicas del PEAD
Módulo de elasticidad_ Para la mayoría de las muestras de polietileno, el módulo de elasticidad aumenta aproximadamente de manera lineal con el grado de cristalinidad. Algunos experimentos han demostrado que para el polietileno de alta densidad, hay una alta dependencia del módulo de elasticidad con la orientación molecular.
Esfuerzo de fluencia_Para muestras isotrópicas a temperatura ambiente, el esfuerzo de fluencia está fuertemente relacionado con la cristalinidad y por lo tanto con la dens idad de la muestra. El polietileno con igual grado de cristalinidad pero menor ramificación, tiende a tener esfuerzos de fluencia mayores.
16 Esfuerzo último_El esfuerzo último no puede ser relacionado directamente con las parte características morfológicas de las muestras, depende en gran medida de la elongación final de la muestra. Entonces para muestras de densidad elevada, el esfuerzo último es inversamente proporcional al peso molecular, por ejemplo a mayor peso molecular, mayor fuerza va a requerir para romperse. Generalmente, los valores de esfuerzo último en las muestras de polietileno ramificadas son generalmente menores que las muestras con menos ramificaciones.
Esfuerzo de compresión_La dureza esta correlacionada de manera directa con la resistencia a la tracción y al módulo elástico y, por tanto con el grado de cristalinidad.
En consecuencia, las propiedades físicas del polietileno tienen estrecha relación con el grado de cristalinidad de la resina, la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.muestra el efecto teórico de disminuir la cristalinidad en varias propiedades físicas [19].
Tabla 2. Efecto de disminuir la cristalinidad en los polímeros semicristalinos [19].
Cristalinidad Decrece
Densidad Decrece
Permeabilidad Aumenta
Opacidad Decrece
Resistencia a la tracción Decrece Resistencia a la compresión Decrece Resistencia al impacto Aumenta
Dureza Aumenta
Elongación última Aumenta
3.3.
Efecto de variables de proceso en las propiedades
La cristalinidad de las muestras producidas por extrusión soplado refleja la historia termomecánica y puede dar indicios de las propiedades finales del producto.
3.3.1. Morfología
La tasa de nucleación puede estar afectada principalmente por dos factores. Primero, por las velocidades de enfriamiento durante el proceso. La tasa de nucleación aumenta con el incremento de las velocidades de enfriamiento. Por tanto, las muestras sometidas a historias termomecánicas diferentes que involucran diferentes velocidades de enfriamiento van a experimentar diferencias en tasas de nucleación y por lo tanto muestran distribuciones de tamaños esferuliticos diferentes. Un segundo factor que debe considerarse es la posible presencia de núcleos heterogéneos. El rol de este tipo de núcleos es mejorar las tasas de cristalización y nucleación, estos agentes nucleantes externos se adicionan al polímero con el fin de mejorar propiedades ópticas y mecánicas. En general, las esferulitas son de mayor tamaño a menores tasas de enfriamiento.
Ninguna otra variable de proceso de extrusión soplado tiene influencia en la morfología del polietileno [5].
3.3.2. Densidad
Se ha encontrado que, en general, la velocidad de enfriamiento y la distribución de espesores de la pieza, tienen alta influencia en la densidad. Se presenta un aumento de densidad con un aumento en el espesor de pared, debido a que hay menor tasa de enfriamiento en las partes donde el espesor es mayor [5]. Sin embargo la variación de la densidad con el espesor de pared no se ve afectado por el cambio de ninguna otra condición de operación, más allá de pequeños aumentos
17 de densidad que se encontraron al aumentar la temperatura de extrusión. La densidad de las resinas es menor cuando la presión de soplado aumenta, sin embargo esto es debido, principalmente a mayores tasas de enfriamiento asociadas a presiones de soplado mayores [10].
3.3.3. Propiedades de Impacto
Se ha observado que el comportamiento a condiciones de impacto es afectado básicamente por el tamaño de las esferulitas, la distribución de la orientación y la cristalinidad o densidad de la resina [5]. El tamaño de las esferulitas afecta la distribución de los esfuerzos mecánicos durante la deformación y el comportamiento de un cuerpo polimérico con pequeñas esferulitas, se aproxima al de un cuerpo homogéneo [15]. Adicionalmente, las muestras con esferulitas más pequeñas presentan esfuerzos de fluencia y porcentajes de elongación mayores que aquellas con esferulitas más grandes.
De acuerdo a lo anterior, es posible inferir que las partes de la pieza con mayores espesores serán potenciales áreas débiles debido a su alta cristalinidad y densidad asociadas a tasas de enfriamiento bajas.
3.4.
Diseño de experimentos
En el campo de la industria es frecuente hacer experimentos o pruebas con la intención de resolver un problema o comprobar una idea (conjetura, hipótesis); por ejemplo, hacer algunos cambios en los materiales, métodos o condiciones de operación de un proceso, probar varias temperaturas en una máquina hasta encontrar la que da el mejor resultado o crear un nuevo material con la intención de lograr mejoras o eliminar algún problema [16].
Sin embargo, es común que estas pruebas o experimentos se hagan sobre la marcha con base en el ensayo y error, apelando a la experiencia y a la intuición, en lugar de seguir un plan experimental adecuado que garantice la buena respuesta a interrogantes planteados. En situaciones de cierta complejidad no es suficiente aplicar este tipo de experimentación, por lo que es mejor proceder siempre en una forma eficaz que garantice la obtención de las respuestas a los interrogantes planteados en un lapso corto de tiempo y utilizando pocos recursos.
El diseño estadístico de experimentos es precisamente la forma más eficaz de hacer pruebas. El diseño de experimentos consiste en determinar cuáles pruebas se deben realizar y de qué manera, para obtener datos que, al ser analizados estadísticamente, proporcionen evidencias objetivas que permitan responder los interrogantes planteados, y de esta manera clarificar los aspectos inciertos de un proceso, resolver un problema o lograr mejoras. Algunos problemas típicos que pueden resolverse con el diseño de experimentos son los siguientes [16]:
1. Comparar a dos o más materiales con el fin de elegir el que mejor cumple los requerimientos.
2. Comparar varios instrumentos de medición para verificar si trabajan con la misma precisión y exactitud
3. Determinar los factores (las x vitales) de un proceso que tienen impacto sobre una o más características del producto final
4. Encontrar las condiciones de operación (temperatura, velocidad, humedad, por ejemplo) donde se reduzcan los defectos o se logre un mejor desempeño del proceso
5. Reducir el tiempo de ciclo del proceso
18
3.4.1. Principios básicos
Los tres principios básicos del diseño de experimentos son: aleatoriedad, replicación y bloqueo. Aleatoriedad es la piedra angular que sustenta el uso de los métodos estadísticos en el diseño de experimentos. Por replicación se entiende que tanto la distribución del material experimental como el orden en el cual se realizan las corridas individuales del experimento son determinadas aleatoriamente. Los métodos estadísticos requieren que las observaciones (o errores) sean variables aleatorias distribuidas independientemente [17].
Por replicación se entiende una réplica independiente de cada combinación de factores. La replicación tiene dos propiedades importantes. Primero, permite al experimentador obtener un estimado del error experimental, este error estimado se convierte en una unidad de medición básica para determinar si las diferencias observadas en los datos son en realidad estadísticamente diferentes. Segundo, si la media de la muestra ( ) se utiliza para estimar la verdadera media de respuesta para uno de los niveles del factor en el experimento, la réplica permite obtener un estimado más preciso de este parámetro [17].
El bloqueo es una técnica de diseño utilizada para mejorar la precisión con la cual se realizan comparaciones entre los factores de interés. Usualmente los bloques se utilizan para reducir o eliminar la variabilidad transmitida por factores molestos (factores que pueden influenciar la respuesta experimental pero en los cuales no estamos directamente interesados).
3.4.2. Etapas del diseño de experimentos
Un aspecto fundamental del diseño de experimentos es decidir cuáles pruebas o tratamientos se van a realizar y cuantas repeticiones de cada uno se requieren, de manera que se obtenga la máxima información al mínimo costo posible. El arreglo formado por los diferentes tratamientos que serán corridos, incluyendo repeticiones, recibe el nombre de matriz de diseño o solo diseño.A continuación se describen las etapas más importantes del diseño de experimentos [16].
1. Entender y delimitar el problema u objeto de estudio: En esta etapa se deben hacer investigaciones preliminares que conduzcan a entender y delimitar el problema u objeto de estudio, de tal forma que quede claro que se va a estudiar, porque es importante y, si es un problema, cual es la magnitud del mismo.
2. Elegir la(s) variable(s) de proceso que será medida en cada punto del diseño y verificar que se mide de manera confiable. La elección de esta(s) variable(s) es vital, ya que en ella se refleja el resultado de las pruebas. Por ello, se deben elegir aquellas que mejor reflejen el problema o que caractericen el objeto de estudio. Además, se debe tener confianza que las mediciones que se obtengan sobre esas variables sean confiables. En otras palabras, se debe garantizar que los instrumentos y/o métodos de medición son capaces de repetir y reproducir una medición, que tienen la precisión (error) y exactitud (calibración) necesaria.
3. Determinar cuáles factores deben estudiarse o investigarse, de acuerdo a la supuesta influencia que tienen sobre la respuesta. No se trata de que el experimentador tenga que saber a priori cuales factores influyen, puesto que precisamente para eso es el experimento, pero sí de que utilice toda la información disponible para incluir aquellos que se considera que tienen un mayor efecto.
4. Seleccionar los niveles de cada factor, así como el diseño de experimentos adecuado a los factores que se tienen y al objetivo del experimento. Este paso también implica determinar cuántas repeticiones se harán por cada tratamiento, tomando en cuenta el tiempo, el costo y la precisión deseada.
19 5. Planear y organizar el trabajo experimental. Con base en el diseño seleccionado, organizar y planear con detalle el trabajo experimental, por ejemplo las personas que van a intervenir, la forma operativa en que se harán las cosas, etc.
6. Realizar el experimento. Seguir al pie de la letra el plan previsto en la etapa anterior, y en caso de algún imprevisto, determinar a qué persona se le re portaría y lo que se haría.
Análisis. En esta etapa no se debe perder de vista que los resultados experimentales son observación muestrales, no poblaciones. Por ello, se debe recurrir a métodos estadísticos inferenciales para ver si las diferencias o efectos muestrales (experimentales) son lo suficientemente grandes para que garanticen diferencias poblacionales (o a nivel proceso). La técnica estadística central en el análisis de experimentos es el llamado análisis de varianza ANOVA. Interpretación: Aquí, con el respaldo del análisis estadístico formal, se debe analizar con detalle lo que ha pasado en el experimento, debe contrastar las conjeturas iniciales con los resultados del experimento, hasta observar los nuevos aprendizajes que sobre el proceso se lo graron, verificar supuestos y elegir el tratamiento ganador, siempre con el apoyo de las estadísticas.
Control y conclusiones finales. Para concluir el estudio experimental se recomienda decidir qué medidas implementar para generalizar el resultado del est udio y para garantizar que las mejoras se mantengan.
3.4.3. Clasificación y selección de los diseños experimentales
Existen muchos diseños experimentales para estudiar la gran diversidad de problemas o situaciones que ocurren en la práctica. Esta cantidad de diseños hace necesario saber cómo elegir el más adecuado para una situación dada y, por ende, es preciso conocer cómo es que se clasifican los diseños de acuerdo con su objetivo y su alcance. Los cinco aspectos que más influyen en la selección de un diseño experimental, en el sentido de que cuando cambian por lo general nos llevan a cambiar de diseño, son:
1. El objetivo del experimento 2. El número de factores a estudiar
3. El número de niveles que se prueban en cada factor
4. Los efectos que interesa investigar (relación factores-respuesta) 5. El costo del experimento, tiempo y precisión deseada
El objetivo del experimento se utiliza como un criterio general de clasificación de los diseños experimental, mientras que los otros cuatro puntos son útiles para subclasificarlos. En ese sentido, de acuerdo con su objetivo los diseños se pueden clasificar como:
1. Diseños para comparar dos o más tratamientos
2. Diseños para estudiar el efecto de varios factores sobre la(s) respuesta(s) 3. Diseños para determinar el punto óptimo de operación del proceso 4. Diseños para la optimización de una mezcla
5. Diseños para hacer el producto o proceso insensible a factores no controlables.
En la Figura 5 se muestra la clasificación general de los diseños experimentales de acuer do con su objetivo. Dentro de cada rama se pueden clasificar de acuerdo al número de factores, el tipo de efecto que se pretende estudiar y según las restricciones existentes. En la misma figura se listan los diseños particulares más representativos de cada rama.
20 Nótese que los diseños factoriales completos y fraccionados ocupan más de un lugar en la Figura 5; la razón es que estos diseños son eficaces en diversas situaciones prácticas. De hecho, varios de los otros diseños presentados en la Figura son casos particulares o generalizaciones de los diseños factoriales.
Figura 5. Clasificación de los diseños experimentales [16].
3.4.4. Diseño experimental factorial 2K
En un diseño de experimentos factorial por cada ensayo completo o réplica del experimento se investigan todas las posibles combinaciones de los niveles de los factores. El efecto de un factor se define como el cambio en la respuesta producida por el cambio en el nivel de dicho factor. Este es frecuentemente llamado efecto principal porque se refiere al factor primario de interés en el experimento.
Los diseños factoriales tienen varias ventajas. Son más eficientes que experimentos de un factor al tiempo. Además, un diseño factorial es necesario cuando pueden haber interacciones entre factores con el fin de evitar conclusiones erróneas. Finalmente, estos diseños permiten estimar los efectos de un factor a varios niveles de otros factores, dando conclusiones validas en un rango de condiciones experimentales [17].
El diseño factorial 2k es aquel que tiene k factores cada uno con dos niveles. Debido a esto, se debe suponer que la respuesta es aproximadamente lineal en el intervalo de los niveles elegidos de los factores. El modelo estadístico del modelo 2k incluye k efectos principales,
interacciones de dos factores, interacciones de tres factores,…, y una interacción de k
factores. Esto quiere decir que el modelo completo contiene 2k-1 efectos para un diseño 2k.
1. Diseños para comparar dos o mas tratamientos
2. Diseños para estudiar el efecto de varios factores sobre una o más variables
3. Diseños para la optimización de procesos
4. Diseños robustos
5. Diseños de mezclas
Diseño completamente al azar Diseño de bloques completos al azar Diseño de cuadros latinos y grecolatinos
Diseños factoriales 2k
Diseños factoriales 3k
Diseños factoriales fraccionados 2k-p
Diseños para el modelo de primer orden
Diseños para el modelo de segundo orden
Diseños factoriales 2ky 2k-p
Diseño de Plakett-Burman Diseño simplex
Diseños de composición central Diseños de Box-Behnken Diseños factoriales 3k y 3k-p
Arreglos ortogonales (diseños factoriales) Diseños con arreglos interno y externo
Diseño simplex-reticular Diseño simplex con centroide Diseño con restricciones Diseño axial
21
3.4.5. Diseño experimental 2k con la adición de puntos centrales
Cuando se realiza un diseño factorial de dos niveles, usualmente se ajusta a un modelo de primer orden, pero se debe estar alerta a la posibilidad de que un modelo de segundo orden es más apropiado. Existe un método de replicar ciertos puntos del diseño factorial 2k que tiene en cuenta posibles efectos de segundo orden. El método consiste en adicionar puntos centrales al diseño 2k. Esto consiste de nC corridas replicadas en los puntos Xi=0 (i=1,2,…, k). Una razón importante para agregar las corridas replicadas en el centro del diseño es que los puntos centrales no perturban los efectos usuales estimados en el diseño 2k. Cuando se adicionan puntos centrales, se asume que los k factores son cuantitativos [17].
Para ilustrar este enfoque, considere un diseño factorial 22 con una observación por cada punto factorial (-,-), (+,-), (-,+), y (+,+) y nC observaciones en el punto central (0,0). Sea el promedio de cuatro corridas en los cuatro puntos factoriales, y el promedio de las nC corridas en el punto central. Si la diferencia es pequeña, entonces los puntos centrales se encuentran en el plano o cerca de él pasando a través de los puntos factoriales, y no hay curvatura cuadrática. Por otra parte, si es grande, entonces está presente una curvatura cuadrática.
22
4.
EXPERIMENTAL
4.1.
Materiales
El material utilizado para este estudio fue polietileno de alta densidad referencia Unival 6200 NT7 con una densidad de 0.953g/cm3 y un índice de fluidez de 0,31g/10 min a 190°C y 2,16kg. El material es distribuido por Dow Chemicals®. La ficha técnica de este material se muestra en el anexo A del presente trabajo.
4.2.
Caracterización de la resina
Para la caracterización de la resina se realizaron mediciones de propiedades físicas (densidad), térmicas (temperaturas de fusión y cristalización, porcentaje de cristalinidad), mecánicas (resistencia al impacto, dureza, modulo elástico, esfuerzo máximo) y reológicas. La Figura 6 muestra un esquema de todas las pruebas que se le realizaron al polietileno de alta densidad para su caracterización.
Figura 6.Esquema de los ensayos que se realizaron al polietileno de alta densidad.
4.2.1. Propiedades físicas.
La densidad del sólido de determinó siguiendo la norma ASTM D792-08. La densidad se determina midiendo la masa de la muestra en aire y la masa luego de ser inmersa en un líquido de acuerdo a la siguiente ecuación:
Donde,
, es la masa aparente de la muestra en aire, [g]
es la masa aparente de la canasta vacía inmersa en el líquido, [g]
es la masa aparente de de la muestra y la canasta inmersas en el líquido, [g]
es la densidad del líquido en el cual se va a sumergir la canasta y la muestra, [g/cm3]
Debido a que el polietileno tiene una densidad menor a la del agua, el líquido utilizado para esta prueba fue alcohol con una densidad de y la cantidad de muestra evaluada fue de 1 gr.
4.2.2. Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas del material se estudian por medio de la calorimetría diferencial de barrido que permite obtener temperaturas de cristalización y fusión con sus respectivas entalpías. Estaspropiedades se determinaronsiguiendo lanormaASTM D3418-08.
PRUEBAS AL PEAD
Pruebas Físicas Pruebas reológicas Pruebas térmicas Pruebas mecánicas
Densidad del sólido Densidad del fundido Índice de fluidez Reometría capilar
Calorimetría diferencial de barrido
Dureza Impacto
23 Las pruebas fueron realizadas en el calorímetro TA Instrument referencia Q200 bajo las condiciones descritas en la Tabla 3. La cantidad de muestra analizada fue de 5,3 mg.
Tabla 3. Método de calentamiento/enfriamiento/calentamiento para las pruebas térmicas
1 Temperatura inicial 35°C 2 Rampa 10°C/min hasta 180°C 3 Isotérmico por 10 min 4 Final del ciclo 0
5 Rampa 10°C/min hasta 35°C 6 Final del ciclo 1
7 Rampa 10°C/min hasta 180°C 8 Final del ciclo 2
Si se asume que la entalpía de fusión ( ) es proporcional al porcentaje de cristalinidad de la muestra y si se conoce la de la muestra en la forma totalmente cristalina (100% de cristalinidad), se puede determinar la cristalinidad de la muestra de la siguiente manera:
Donde,
, es la entalpía de fusión del polímero semicristalino, J/g
, Entalpía de fusión de la muestra 100% cristalina. Para el polietileno este valor es de 286.2J/g [18].
4.2.3. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas obtenidas para el PEAD fueron dureza e impacto realizadas de acuerdo
a las normas ASTM D2240-5 y ASTM D256-10.
Impacto
Se realizaron 10 especímenes siguiendo el método de moldeo por compresión descrito en la norma ASTM D4703-10a. El equipo utilizado para estas pruebas fue una máquina de impacto IZOD TMI 43-1 cuya energía en vacío es 0,0542J. Previo a la realización de las pruebas los especímenes se almacenaron bajo un ambiente controlado (la temperatura es de 25°C y la humedad relativa del 50%).
Dureza
Los mismos especímenes utilizados para las pruebas de impacto se utilizaron para determinar la dureza del material. Con el fin de lograr el espesor requerido de cada muestra, se apilaron 3 probetas cada una de 3mm de espesor (aproximadamente) y de esta manera se logró que cada muestra tuviera un espesor aproximado de 9 mm. Se realizaron 15 mediciones de dureza en diferentes partes del espécimen. Las pruebas se llevaron a cabo en el durómetro D Zwick 3100 que se encuentra bajo un ambiente controlado (la temperatura es de 25°C y la humedad relativa del 50%).
24
4.2.4. Propiedades reológicas
Las propiedades reológicas se basan principalmente en la determinación del comportamiento en estado fundido de la resina a condiciones de temperatura y tasas de corte similares a las que se presentan en el proceso de extrusión soplado. Para ello se realizaron pruebas de reometría capilar, estas pruebas se desarrollaron siguiendo la metodología descrita en la norma ASTM D3835. Adicionalmente se determinó el índice de fluidez y la densidad del fundido de acuerdo a la norma
ASTM D1238-10.
Reometría capilar
La Reometría para el PEAD se desarrolló de acuerdo a la norma ASTM D5422-09en donde se determina el flujo volumétrico de material que pasa a través de un capilar con dimensiones conocidas a temperatura constante. Esta prueba se realizó a 187 °C (temperatura de extrusión del nivel inferior en el diseño de experimentos).
Índice de fluidez y densidad del fundido
Esta prueba consiste en determinar la velocidad de extrusión de una resina fundida usando un plastómetro. Luego de un tiempo de precalentamiento, la resina es extruida a través de un dado de longitud y diámetro específicos bajo condiciones determinadas de temperatura, carga y posición del pistón en el barril (la Tabla 4 muestra los valores de estos parámetros empleados). El procedimiento A descrito en la norma ASTM D1238-10 es el que se utilizó para realizar estas pruebas y consiste en medir el flujo másico del material extruido a través del dado durante cierto periodo de tiempo, de esta manera es posible determinar el índice de fluidez (MFI) hallando el flujo másico en 10 min y por medio de la siguiente ecuación es posible calcular la densidad del fundido:
Donde,
, es el flujo másico en
, es la longitud que recorre el pistón en
, es la densidad del fundido de la resina a la temperatura fijada en
, es la media de las áreas del pistón y el cilindro multiplicado por los 600 segundos que tienen 10 minutos.
Tabla 4. Condiciones a las cuales se realizó la prueba para determinar índice de fluidez.
Parámetro
Diámetro pistón (cm) 0,947 Diámetro cilindro (cm) 0,957
(cm) 0,01
(cm2) 0,0712
Temperatura (°C) 190
Carga (kg) 2,16
Longitud del recorrido del pistón (cm) 0,421
4.3.
Diseño experimental a escala laboratorio
Con el fin de evaluar el efecto de las condiciones de proceso en diferentes propiedades finales del producto, se seleccionaron 5 factores (variables) a estudiar cada uno de los cuales tiene dos
25 niveles (alto, “+” y bajo, “-“). Por lo tanto, el diseño experimental es factorial 25. Las cinco variables estudiadas son: la temperatura de extrusión (temperatura correspondiente a la última zona de la extrusora), la velocidad de extrusión (velocidad del tornillo), velocidad de enfriamiento (controlando el paso o no de agua en el molde), presión de soplado y tiempo de enfriamiento (ver Tabla 5). El diseño de experimentos se detalla en la Tabla 6.
Tabla 5. Selección de niveles para los factores.
Nombre de la Variable Rango inferior (-1) Rango superior (+1)
Temperatura de extrusión (°C) 187 215
Velocidad de extrusión (rpm) 20 50
Velocidad de enfriamiento (°C/min) 180* 230**
Presión de soplado (MPa) 0,28 0,55
Tiempo de enfriamiento (s) 15 30
*La temperatura mínima se obtiene cuando el molde no tiene paso de agua (refrigeración) ** La temperatura máxima se obtiene cuando el molde tiene paso de agua (esta refrigerado)
4.3.1. Verificación de los rangos y los valores de las variables
Previo al desarrollo del diseño de experimentos, se verificó que los valores de los rangos de cada una de las variables obtenidos a partir del trabajo descrito en [17] den como resultado un producto con características aceptable. Para ello se produjeron botellas tomando las condiciones de proceso descritas en la Tabla 5 y se modificaron sistemáticamente para determinar si la ventana de operación descrita es la adecuada.
4.4.
Desarrollo del diseño experimental factorial 2
5a escala laboratorio
4.4.1. Equipo de extrusión soplado a escala laboratorio
La máquina de extrusión soplado utilizada para la experimentación a escala laboratorio es marca PLASTOMAC referencia PTM-5. El equipo se muestra en la Figura 7 Esta extrusora de tornillo simple con relación L/D es 25, cuenta con 5 zonas de calentamiento a lo largo del husillo que se controlan individualmente. La presión hidráulica, la velocidad de extrusión, y los tiempos en el panel de soplado (tiempo de enfriamiento y pre soplado, tiempo de retardo de corte de cuchilla, tiempo de retardo de cierre de molde, tiempo de descompresión) se pueden ajustar de manera manual. El dado es de tipo convergente. Aire comprimido se utilizó como medio de soplado, y la presión de soplado es regulada por una válvula de aguja. El tipo de extrusión que realiza este equipo es una extrusión continua, es decir, que la máquina extruye el parison de manera ininterrumpida.
4.4.2. Ciclo de extrusión soplado a escala laboratorio
El ciclo de extrusión soplado de las botellas comprende tres etapas primordiales: (1) la extrusión del parison a través del dado, (2) el cierre de molde y soplado de la pieza y, (3) la salida de las botellas. El tiempo de ciclo depende básicamente de dos variables de proceso: la velocidad de extrusión y el tiempo de enfriamiento (ver Figura 8).
La Figura 8 muestra dos tiempos de ciclo de producción de botellas denominados como ciclo corto (cuya duración total es de 0,88 minutos) y ciclo largo (duración total de 1,11 minutos).
26 Tabla 6. Diseño de experimentos de las variables de proceso de extrusión soplado.
Corrida
1 -1 -1 -1 -1 -1 1
2 +1 -1 -1 -1 -1
3 -1 +1 -1 -1 -1
4 -1 -1 +1 -1 -1
5 -1 -1 -1 +1 -1
6 -1 -1 -1 -1 +1
7 +1 +1 -1 -1 -1
8 -1 +1 +1 -1 -1
9 -1 -1 +1 +1 -1
10 -1 -1 -1 +1 +1
11 +1 -1 +1 -1 -1
12 +1 -1 -1 +1 -1
13 +1 -1 -1 -1 +1
14 -1 +1 -1 +1 -1
15 -1 +1 -1 -1 +1
16 -1 -1 +1 -1 +1
17 +1 +1 +1 -1 -1
18 +1 +1 -1 +1 -1
19 +1 +1 -1 -1 +1
20 +1 -1 +1 -1 +1
21 -1 +1 +1 +1 -1
22 -1 -1 +1 +1 +1
23 +1 -1 +1 +1 -1
24 +1 -1 -1 +1 +1
25 -1 +1 -1 +1 +1
26 -1 +1 +1 -1 +1
27 +1 +1 +1 +1 -1
28 +1 -1 +1 +1 +1
29 +1 +1 -1 +1 +1
30 +1 +1 +1 -1 +1
31 -1 +1 +1 +1 +1
32 +1 +1 +1 +1 +1
El corto contiene el tiempo de ciclo cuando la velocidad de extrusión se encuentra en el nivel superior y cuando el tiempo de enfriamiento está en el nivel inferior, el ciclo largo describe los tiempos de ciclo para el caso en que la velocidad de extrusión tiene un nivel inferior y el tiempo de enfriamiento se encuentra en el nivel superior. Ninguna otra modificación de variables de proceso alteran los tiempos de producción de las botellas.
27 Figura 8. Tiempo de ciclo largo con velocidad de tornillo en el nivel inferior y tiempo de soplado en el nivel superior (línea roja) y tiempo de ciclo corto conformado por una velocidad de extrusión en el nivel superior y un tiempo en el
nivel inferior (línea verde).
4.5.
Medición de las propiedades finales de la botella
Las propiedades de la botella evaluadas se clasifican en tres grupos: propie dades físicas, térmicas y mecánicas; las propiedades físicas estudiadas son masa, densidad y la distribución de espesores de pared. Las temperaturas de fusión y de cristalización, así como el porcentaje de cristalinidad son las propiedades térmicas evaluadas. Finalmente las propiedades mecánicas determinadas fueron impacto, módulo de elasticidad, esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo. La Tabla 7 presenta un resumen de las propiedades finales medidas a las botellas.
4.5.1. Propiedades físicas
Masa
Para la determinación de la masa se cortó la rebaba lateral de las botellas así como la rebaba superior. Estas mediciones se realizaron en una balanza de precisión marca Pioneer Ohaus.
Densidad
La densidad de las botellas se obtuvo siguiendo la norma ASTM D752. La sección media de cada botella fue inmersa en alcohol y la relación entre la masa de la muestra en aire y la masa de la muestra dentro del líquido se determinó con el fin de obtener la densidad.
Ciclo extrusión soplado escala laboratorio largo Extrusión parison
(velocidad tornillo “+”) 29,7 seg
Extrusión parison (velocidad tornillo “-”) 33,7 seg Desplaza-miento de molde 7,2 seg 7,2 seg Desplaza-miento de molde 2,3 seg Cierre molde 2,3 seg Cierre molde 1 seg P re so p lo Desplaza miento de molde 4,4 seg Desplaza miento de molde
4,4 seg 1 seg
P
re
so
p
lo Soplado parison
(tiempo soplado “+”) 15 seg Soplado parison (tiempo soplado “-”) 5 seg Ap ertura m o ld e 1 seg Ap ertura m o ld e 1 seg Expu lsi ó n p iez a 2 seg Expu lsi ó n p iez a 2 seg
Ciclo extrusión soplado escala laboratorio largo
66,6 seg (1,11 min)
52,6 seg (0,88 min)
Figura 7. Equipo de extrusión soplado utilizado para la experimentación a escala laboratorio. (a) vista lateral, (b) vista frontal
28 Tabla 7. Propiedades finales medidas a las botellas.
Dimensiones
Las dimensiones de la botella se midieron de acuerdo a la norma ASTM D2911-94. Con un calibrador se determinó la altura de la botella (H) ubicándola en una superficie plana y haciendo mediciones desde el fondo hasta el cuello cada 45°, el valor máximo es el que se reportó como H. Debido a que la botella tiene geometría cuadrada el ancho (W) se mide en las cuatro caras. La Figura 9 muestra un diagrama de las dimensiones de la botella.
Figura 9. Dimensiones de la botella
Perfil de espesores
Las botellas extruidas se cortaron en dirección transversal al eje de la botella (eje a) cada centímetro empezando desde el fondo. Se obtuvieron 12 secciones de geomet ría cuadrada. La numeración de la posición a lo largo del eje de la botella empieza desde el fondo y aumenta a medida que se acerca al cuello (Figura 10.a). Una vez obtenidas las secciones cuadradas, se miden los espesores de cada una de ellas cada 2 cm empezando en la línea de partición 1 (ver Figura 10.b). Por cada sección se obtuvo un total de 12 mediciones de espesores. Esta metodología para medir espesores se aplica únicamente para las secciones que se encuentran en el medio de la botella (secciones 4 a 8), con el fin de evitar grabados que puedan afectar la medición.
PROPIEDAD NORMA
Masa
Densidad ASTM D752
Dimensiones ASTM D2911-94
Perfil de espesores
Temperatura fusión ASTM D3418-08
Entalpía de fusión ASTM D3418-08
Porcentaje de cristalinidad ASTM D3418-08
Módulo de elasticidad ASTMD638-10 Esfuerzo de fluencia ASTMD638-10
Esfuerzo fluencia 2% ASTMD638-10
Resistencia al imacto ASTM D256-10
P
R
O
P
IE
D
A
D
ES
FÍ
SI
C
A
S
P
R
O
P
IE
D
A
D
ES
TÉ
R
M
IC
A
S
P
R
O
P
IE
D
A
D
ES
M
EC
Á
N
IC
A
S
H
W T
29 Figura 10. (a) Esquema de la dirección de corte de las 12 secciones obtenidas, (b) Sección del medio de la botella
obtenida a partir de los cortes realizados.
4.5.2. Propiedades térmicas
Las temperaturas de fusión, de cristalización y el porcentaje de cristalinidad se determinaron según la norma ASTM D3418-08 en el calorímetro marca TA Instrument referencia Q200. Las condiciones a las cuales se sometió la muestra se encuentran descritas en la Tabla 3. La gráfica flujo de calor Vs. Temperatura obtenida por el calorímetro se analizó por medio del software TA universal analysis® y de esta manera se determinó la temperatura a la cual el flujo de calor es mínimo (temperatura de fusión) en el primer ciclo de calentamiento y la temperatura a la cual el flujo de calor es máximo (temperatura de cristalización). El porcentaje de cristalinidad de la muestra se entiende como la relación entre la entalpía de fusión obtenida para la muestra y la entalpía de una muestra 100% cristalina. Esta entalpía se reporta como 286,2 J/g para el polietileno de alta densidad [17].
La medición de estas propiedades térmicas se realizó en dos puntos extremos de la sección 5 de las botellas: en el punto cuyo espesor es máximo (punto 4) y en el punto donde es más delgado (punto 8). Estas mediciones no contaron con réplicas.
4.5.3. Propiedades mecánicas
Para obtener las probetas con las dimensiones y características requeridas en las normas técnicas, se cortaron las cuatro caras de la botella obteniendo rectángulos planos de dimensiones 6,5cm x 5cm aproximadamente. Cada rectángulo se sometió a un proceso de troquelado donde se obtuvieron entre 9-12 probetas para impacto y entre 6-8 probetas para tensión con las dimensiones descritas en las normas ASTM D256-10 y ASTM D638-10, respectivamente.
Impacto
Las pruebas de resistencia al impacto Izod se realizaron siguiendo la norma ASTM D256-10 con un péndulo cuya energía de vacío es 2,71J. Las muescas hechas a las pribetas fueron realizadas 48 horas antes de las pruebas y estos fueron almacenados bajo un ambiente controlado (25°C de temperatura y 50% de humedad).
Pruebas de tensión
Las pruebas de tensión se realizaron de acuerdo a la norma ASTM D638-10 en una máquina universal Instron 3367. Las probetas evaluadas son de tipo IV. Las pruebas se realizaron a una velocidad de 55mm/min y una longitud entre tenazas de 25mm. Los especímenes se almacenaron a 25°C de temperatura y una humedad relativa de 50%.
4.6.
Análisis del diseño experimental factorial 2
5y de varianza (ANOVA)
El análisis del diseño de experimentos permitió determinar el factor o los factores que más influencia tienen en cada una de las propiedades estudiadas. Así mismo, permitió observar
Sección 1 Sección 2 Sección 12 Sección 11
. . . .
a
b
C
Línea de partición 1 Línea de partición 2