Reutilización de polímeros reciclados en la fabricación de elementos estructurales

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. REUTILIZACIÓN DE POLÍMEROS RECICLADOS EN LA FABRICACIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. DANIEL LEONARDO GUERRÓN VILLACÍS [email protected] HAYDÉ NOEMÍ JUIÑA SUQUILLO [email protected] DIRECTOR: DR.CARLOS FABIÁN ÁVILA VEGA [email protected]. Quito, Junio 2013.

(2) ii. DECLARACIÓN. Nosotros, Haydé Noemí Juiña Suquillo y Daniel Leonardo Guerrón Villacís, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ______________________. ___________________. Haydé Noemí Juiña S.. Daniel Leonardo Guerrón V..

(3) iii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Haydé Noemí Juiña Suquillo y Daniel Leonardo Guerrón Villacís, bajo mi supervisión.. _________________________ Dr. Carlos Ávila DIRECTOR DEL PROYECTO. _________________________ Dr. Víctor Cárdenas CO-DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) iv. AGRADECIMIENTO. A la Escuela Politécnica Nacional y la Facultad de Ingeniería Mecánica por habernos acogido en sus aulas y por los conocimientos que se nos ha impartido, siendo estos la herramienta fundamental para llevar a cabo este proyecto. A la empresa Plastimag con su gerente el Ing. Freddy Gualoto por ser un apoyo fundamental en la realización de nuestro proyecto de titulación. A la empresa Plastimax con su gerente el Ing. Francisco Lara por la colaboración y las facilidades prestadas para el uso de equipos. A EMASEO y CEGAM por la contribución prestada para la realización del proyecto. Al CIAP (Centro de Investigaciones Aplicadas a Polímeros) con su director el Dr. Francisco Quiroz por facilitarnos el uso de las instalaciones para la realización de éste proyecto. Al Dr. Carlos Ávila, Dr. Víctor Cárdenas, Ing. William Vanegas por la colaboración en el desarrollo de éste proyecto. A todas las personas que han colaborado para llevar a cabo este proyecto, reiteramos nuestro más sincero agradecimiento.. Haydé Juiña Daniel Guerrón.

(5) v. DEDICATORIA. A DIOS Por guiarme y por darme la fortaleza para superar cada obstáculo que se ha presentado en el camino. A MIS PADRES FABIÁN Y MARÍA Por su amor y apoyo incondicional, son quienes mediante el ejemplo han forjado en mí una persona con buenos valores. A MI HERMANA RAISA Por su ayuda en momentos difíciles y por alegrar mis días con sus ocurrencias. Éste triunfo es de ustedes. A DANIEL Gracias por su amistad y por su apoyo para culminar con éxito éste sueño tan anhelado. A MIS AMIGOS Por su amistad sincera y por compartir buenos momentos junto a mí.. Haydé Juiña.

(6) vi. A: Dios, por haberme dado la fortaleza y para llevar a cabo este proyecto, por brindarme sus bendiciones, sabiduría y estar conmigo a cada paso que doy. Mi padre Leonardo; por su entereza, perseverancia y valiosos concejos, por ser un padre ejemplar y merecedor de todo mi respeto y admiración. Mi madre Ruth, por su amor y apoyo incondicional, por motivarme en todo momento y ser ese pilar fundamental que me permitió alcanzar este logro tan anhelado. “Todo lo que soy te lo debo a ti mamá”. Mis hermanos Gabriel y Nadia, por su valiosa compañía, apoyo y por permanecer siempre unidos; somos un equipo y juntos alcanzaremos nuestras metas. Mi amiga Haydé, por su compañía y valioso aporte culminación de este proyecto. Todos mis amigos y familiares, gracias por su apoyo.. Daniel Guerrón V..

(7) vii. CONTENIDO CAPÍTULO 1 ............................................................................................................... 1 1.1.. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................... 1. 1.1.1.. OBJETIVO GENERAL. ............................................................................ 3. 1.1.1.1. Objetivos Específicos. ....................................................................... 3 1.1.2.. ALCANCES. ............................................................................................ 4. 1.1.3.. JUSTIFICACIÓN...................................................................................... 4. 1.1.4.. METODOLOGÍA. ..................................................................................... 5. CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 7 2.1.. MARCO TEÓRICO. ...................................................................................... 7. 2.1.1.. CARACTERÍSTICAS GENERALES. ....................................................... 8. 2.1.2.. PROPIEDADES FÍSICAS GENERALES DE LOS POLÍMEROS. ............ 8. 2.2.. CLASIFICACIÓN........................................................................................... 9. 2.2.1.. POR EL TIPO DE MONÓMEROS QUE LOS FORMAN. ....................... 11. 2.2.1.1. Homopolímeros. .............................................................................. 11 2.2.1.2. Copolímeros. ................................................................................... 11 2.2.2.. POR LA ESTRUCTURA DE SU CADENA. ........................................... 12. 2.2.3.. POR EL NÚMERO DE MOLÉCULAS DE MONÓMERO QUE LOS. CONSTITUYEN. ................................................................................................. 13 2.2.4.. POR SUS PROPIEDADES FISICO-MECANICAS. ............................... 13. 2.2.4.1. Termoplásticos. ............................................................................... 13 2.2.5.. POR SU PROCEDENCIA. ..................................................................... 13. 2.2.5.1. Polímeros Sintéticos. ...................................................................... 13 2.2.6.. POR SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN. ................................... 14. 2.2.6.1. Polímeros por adición. .................................................................... 14 2.2.7.. POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA. ..................................................... 14.

(8) viii. 2.2.7.1. Polímeros Orgánicos. ...................................................................... 14 2.2.7.1.1. Polímeros orgánicos vinílicos. .................................................. 14 2.2.7.1.2. Polímeros orgánicos no vinílicos............................................... 15 2.2.7.2. Polímeros Inorgánicos. ................................................................... 15 2.3.. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS. .................................................... 15. 2.4.. DEGRADACIÓN DE LOS POLÍMEROS. .................................................... 17. 2.4.1.. AGENTES AMBIENTALES. .................................................................. 17. 2.4.1.1. Agentes Químicos. .......................................................................... 17 2.4.1.2. Agentes Energéticos. ...................................................................... 17 2.4.2.. TIPOS DE DEGRADACIÓN. ................................................................. 17. 2.4.2.1. Degradación Térmica. ..................................................................... 18 2.4.2.2. Degradación por radiación. ............................................................. 19 2.4.2.3. Biodegradación. .............................................................................. 19 2.4.2.4. Degradación mecánica. .................................................................. 19 2.5.. SELECCIÓN DE POLÍMEROS. .................................................................. 20. 2.5.1.. DE ACUERDO A LA SOCIEDAD DE INDUSTRIAS DEL PLÁSTICO. .. 20. 2.5.1.1. Polietileno (PE). .............................................................................. 21 2.5.2.. DE ACUERDO A LA MARCA COMERCIAL DEL PRODUCTO............. 24. CAPÍTULO 3 ..............................................................................................................26 3.1.. PROCESOS DE RECICLAJE DE POLÍMEROS. ........................................ 26. 3.2.. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. ............................................................... 27. 3.2.1.. RECOLECCIÓN. ................................................................................... 27. 3.2.2.. CLASIFICACIÓN DE DESECHOS. ....................................................... 28. 3.2.3.. LIMPIEZA. ............................................................................................. 34. 3.2.4.. MOLIENDA. ........................................................................................... 34. 3.2.5.. AGLUTINADO. ...................................................................................... 35. 3.2.6.. SEPARACIÓN. ...................................................................................... 36.

(9) ix. 3.2.7.. LAVADO. ............................................................................................... 36. 3.2.8.. DESHIDRATADO Y SECADO. .............................................................. 37. 3.2.9.. PELETIZADO DE POLÍMEROS. ........................................................... 37. 3.3.. PROCESO DE MEZCLADO. ...................................................................... 38. 3.3.1.. PORCENTAJES DE MEZCLAS DEL PEAD CON PEBD. ..................... 39. 3.3.2.. PROCESO DE MEZCLADO DEL PEAD CON PEBD............................ 40. 3.3.2.1. Datos obtenidos en el reómetro (Reogramas). ............................... 45 3.3.3.. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MEZCLAS. ............................... 48. 3.3.3.1. Determinación del índice de fluidez de las mezclas (MFI). ............. 48 3.3.3.2. Determinación de las densidades de las mezclas sólidas. ............. 53 3.3.4.. PELETIZADO DE LAS MEZCLAS SELECCIONADAS. ........................ 58. 3.3.5.. MOLDEADO DE PROBETAS POR INYECCIÓN. ................................. 59. CAPÍTULO 4 ..............................................................................................................61 4.1.. ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS. ............................................ 61. 4.1.1.. ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. .................................................. 61. 4.1.2.. DEFORMACIÓN UNITARIA. ................................................................. 62. 4.1.3.. MÓDULO DE FLEXIÓN. ........................................................................ 62. 4.1.4.. DATOS ESTADÍSTICOS. ...................................................................... 63. 4.1.4.1. Media Aritmética. ............................................................................ 63 4.1.4.2. Desviación Estándar. ...................................................................... 63 4.1.4.3. Coeficiente de Variación. ................................................................ 63 4.2.. CÁLCULOS EN LA ZONA ELÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS. DEFLEXIÓN. .......................................................................................................... 64 4.2.1.. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA. CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA ELÁSTICA. ............................. 64 4.2.2.. CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. ........................ 72. 4.2.3.. CÁLCULO DE LA DEFORMACIÓN UNITARIA. .................................... 74. 4.2.4.. CÁLCULO DEL MÓDULO DE FLEXIÓN. .............................................. 76.

(10) x. 4.3.. CÁLCULOS EN LA ZONA PLÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS. DEFLEXIÓN. .......................................................................................................... 80 4.3.1.. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA. CURVA ESFUERZO VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA PLÁSTICA ....................... 81 4.3.2.. CÁLCULO DEL MÓDULO TANGENCIAL. ............................................ 85. CAPÍTULO 5 ..............................................................................................................87 5.1.. PRE-DISEÑO DEL ELEMENTO. ................................................................ 87. 5.1.1.. CONSIDERACIONES DE SERVICIO. ................................................... 87. 5.1.1.1. Tensión en Pilotes. .......................................................................... 89 5.2.. DIMENSIONAMIENTO. DE. LA. SECCIÓN. DEL. ELEMENTO. ESTRUCTURAL..................................................................................................... 92 5.2.1.. Sección cuadrada sólida. ....................................................................... 92. 5.2.2.. Sección cuadrada hueca. ...................................................................... 94. 5.3.. RESULTADOS OBTENIDOS: ..................................................................... 95. 5.4.. MODELADO DE UN PROTOTIPO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL. .... 97. 5.4.1.. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO. .............. 97. 5.4.1.1. Alternativa 1. ................................................................................... 97 5.4.1.2. Alternativa 2. ................................................................................... 98 CAPITULO 6 ..............................................................................................................99 6.1.. SIMULACIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL MEDIANTE ANSYS. .... 99. 6.1.1.. PRE-PROCESAMIENTO. .................................................................... 100. 6.1.2.. PROCESAMIENTO. ............................................................................ 107. 6.1.3.. POST-PROCESAMIENTO. ................................................................. 107. 6.2.. ANÁLISIS DE RESULTADOS. .................................................................. 113.

(11) xi. CAPÍTULO 7 ............................................................................................................115 7.1.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 115. CONCLUSIONES ............................................................................................. 115 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 118 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................120 ANEXOS ..................................................................................................................123.

(12) xii. CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1. 1. Emisiones a la atmósfera de la fabricación de polímeros .......................... 1 Tabla 1. 2. Esquemas de los elementos estructurales propuestos ............................. 4 Tabla 2. 1. Temperatura de Transición vítrea y de fusión de polímeros ...................... 8 Tabla 2. 2. Densidad de algunos polímeros ................................................................ 9 Tabla 2. 3. Propiedades mecánicas de los polímeros ................................................. 9 Tabla 2. 4. Usos de los polímeros ............................................................................. 16 Tabla 2. 5. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradación. ............. 18 Tabla 2. 6. Temperaturas características de algunos polímeros ............................... 18 Tabla 2. 7. Longitudes de onda de algunos polímeros .............................................. 19 Tabla 2. 8. Códigos de identificación de los polímeros termoplásticos ..................... 21 Tabla 2. 9. Características del PEAD ........................................................................ 22 Tabla 2. 10. Características del PEBD ...................................................................... 23 Tabla 3. 1. Códigos de identificación de polímeros termoplásticos utilizados ........... 29 Tabla 3. 2. Porcentajes de mezclas del PEAD y PEBD ............................................ 39 Tabla 3. 3. Densidad de poliolefinas usadas ............................................................. 42 Tabla 3. 4. Condiciones de operación del Reómetro ................................................. 44 Tabla 3. 5. Porcentajes de mezclas 70% (PEAD) – 30% (PEBD) ............................. 50 Tabla 3. 6. Porcentajes de mezclas 75% (PEAD) – 25% (PEBD) ............................. 50 Tabla 3. 7. Porcentajes de mezclas 80% (PEAD) – 20% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 8. Porcentajes de mezclas 85% (PEAD) – 15% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 9. Porcentajes de mezclas 90% (PEAD) – 10% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 10. MFI de las mezclas de PEAD-PEBD ..................................................... 51 Tabla 3. 11. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 52 Tabla 3. 12. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 52 Tabla 3. 13. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 53 Tabla 3. 14. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 53 Tabla 3. 15. Densidades de las mezclas de PEAD-PEBD sólidas ............................ 58 Tabla 3. 16. Condiciones de Inyección de la mezcla ................................................. 59.

(13) xiii. Tabla 3. 17. Perfil de Temperatura PEAD virgen en proceso de inyección ............... 60 Tabla 4. 1. Cargas últimas para mezclas 80%PEAD-20%PEBD y 90%PEAD10%PEBD ................................................................................................................. 72 Tabla 4. 2. Dimensiones de probetas-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD ....................... 72 Tabla 4. 3. Dimensiones de probetas-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ....................... 73 Tabla 4. 4. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD ................. 79 Tabla 4. 5. Propiedades Mecánicas Mezcla 80%PEAD-20%PEBD .......................... 79 Tabla 4. 6. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................. 79 Tabla 4. 7. Propiedades Mecánicas Mezcla 90%PEAD-10%PEBD .......................... 79 Tabla 4. 8. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................. 86 Tabla 4. 9. Módulo tangencial Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................................... 86 Tabla 5. 1. Características de cultivo ........................................................................ 87 Tabla 5. 2. Dimensiones calculadas de los pilotes .................................................... 96 Tabla 5. 3. Masa de mezcla 90% PEAD - 10% PEBD requerida para cada pilote .... 96 Tabla 6. 1. Resumen de las propiedades físicas y mecánicas de la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD................................................................................................. 101 Tabla 6. 2. Características físicas y mecánicas de los pilotes ................................. 113.

(14) xiv. CONTENIDO DE FIGURAS Figura 2. 1. Clasificación de los polímeros ................................................................ 10 Figura 2. 2. Ramificaciones de Polietileno de baja densidad (PEBD) ....................... 12 Figura 2. 3. Ramificaciones de Polietileno de alta densidad (PEAD) ........................ 12 Figura 3. 1. Proceso de reciclaje de polímeros ......................................................... 26 Figura 3. 2. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano ..................................... 27 Figura 3. 3. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano ..................................... 28 Figura 3. 4. Recuperación de RSR Marzo ................................................................. 30 Figura 3. 5. Recuperación de RSR Abril ................................................................... 30 Figura 3. 6. Recuperación de RSR Mayo .................................................................. 31 Figura 3. 7. Recuperación de RSR Junio .................................................................. 31 Figura 3. 8. Recuperación de RSR Julio ................................................................... 32 Figura 3. 9. Recuperación de RSR Agosto ............................................................... 32 Figura 3. 10. Recuperación de RSR Septiembre ...................................................... 33 Figura 3. 11. Recuperación de RSR Marzo-Septiembre ........................................... 33 Figura 3. 12. Molino para polímeros (PEAD) ............................................................. 35 Figura 3. 13. Aglutinadora para PEBD ...................................................................... 36 Figura 3. 14. Proceso de extrusión de polímeros ...................................................... 38 Figura 3. 15. Procesamiento de mezcla de polímeros .............................................. 38 Figura 3. 16. Mezclado de polímeros en el reómetro ................................................ 41 Figura 3. 17. Mezcla 70% PEAD y 30% PEBD ......................................................... 46 Figura 3. 18. Mezcla 75% PEAD y 25% PEBD ........................................................ 46 Figura 3. 19. Mezcla 80% PEAD y 20% PEBD ........................................................ 47 Figura 3. 20. Mezcla 85% PEAD y 15% PEBD ......................................................... 47 Figura 3. 21. Mezcla 90% PEAD y 10% PEBD ......................................................... 48 Figura 3. 22. Porciones de mezcla para medir el MFI ............................................... 49.

(15) xv. Figura 4. 1. Procedimiento A: Diagrama de Cargas .................................................. 61 Figura 4. 2. Material con una Región de Hooke ........................................................ 65 Figura 4. 3. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 .................................................. 66 Figura 4. 4. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ................................................. 67 Figura 4. 5. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ................................................. 67 Figura 4. 6. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ................................................. 68 Figura 4. 7. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ................................................. 68 Figura 4. 8. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 ................................................. 69 Figura 4. 9. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ................................................. 69 Figura 4. 10. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ............................................... 70 Figura 4. 11. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ............................................... 70 Figura 4. 12. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ............................................... 71 Figura 4. 13. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 ............................................... 82 Figura 4. 14. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ............................................... 83 Figura 4. 15. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ............................................... 83 Figura 4. 16. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ............................................... 84 Figura 4. 17. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ............................................... 84 Figura 5. 1. Esquema de disposición de pilotes y plantas ......................................... 89 Figura 5. 2. Diagrama del sólido libre del cable completo ......................................... 90 Figura 5. 3. Diagrama del sólido libre sección A-K .................................................... 91 Figura 5. 4. Diagrama del sólido libre para pilote macizo .......................................... 92 Figura 5. 5. Diagrama del sólido libre para pilote hueco ........................................... 94 Figura 5. 6. Pilote 1 ................................................................................................... 97 Figura 5. 7. Pilote 2 ................................................................................................... 98 Figura 6. 1. Ingreso de parámetros físicos y mecánicos en ANSYS ....................... 101 Figura 6. 2. Módulo Elástico vs Módulo Tangencial ................................................ 102 Figura 6. 3. Módulos de trabajo para la simulación del elemento estructural ......... 102 Figura 6. 4. Módulos de trabajo para la simulación del ensayo a flexión ............... 103 Figura 6. 5. Mallado del elemento estructural.......................................................... 103.

(16) xvi. Figura 6. 6. Mallado de la probeta ........................................................................... 104 Figura 6. 7. Fijación del elemento ........................................................................... 105 Figura 6. 8. Fijación de los soportes para la probeta ............................................... 105 Figura 6. 9. Aplicación de la carga para el elemento estructural ............................. 106 Figura 6. 10. Aplicación de la carga en el cabezal para la probeta ......................... 106 Figura 6. 11. Refinamiento de malla ........................................................................ 107 Figura 6. 12. Refinamiento progresivo de malla ...................................................... 108 Figura 6. 13. Deformación Total Pilote 1 ................................................................. 109 Figura 6. 14. Tensión máxima principal Pilote 1 ...................................................... 109 Figura 6. 15. Deformación Total Pilote 2 ................................................................. 110 Figura 6. 16. Tensión máxima principal Pilote 2 ...................................................... 110 Figura 6. 17. Curva Carga vs Deflexión obtenida en ANSYS .................................. 111 Figura 6. 18. Curvas Carga vs Deflexión del ensayo y simulación .......................... 111.

(17) xvii. RESUMEN El presente proyecto de titulación propone la reutilización de polímeros reciclados para la elaboración de elementos estructurales resistentes a la flexión. La materia prima proviene principalmente de polietilenos de alta y baja densidad PEBD) desechados. Estos polímeros se seleccionan debido a la. (PEAD y. facilidad que. presentan para ser reciclados y porque son miscibles entre sí. Los polímeros utilizados (PEAD y PEBD) son inicialmente clasificados en base a su composición química para ser posteriormente reciclados. En la primera etapa del proceso de reciclaje se define el método de procesamiento más adecuado para este tipo específico de polímeros. En el proceso se consideran las características físicas de dureza y elasticidad y las características químicas de fluidez de cada uno de los materiales de interés. Los procesos aplicados al material polimérico reciclado son el molido y aglutinado. El proceso de molienda se aplica al PEAD por la dureza y rigidez que presenta el material y el aglutinado se aplica para el caso del PEBD por la maleabilidad y elasticidad que muestra dicho polímero. Una vez que se ha llevado a cabo esta primera fase del reciclaje se procede a peletizar; mediante extrusión, por separado a estos dos polímeros. Después de la obtención de los pellets de PEAD y PEBD se determina el número de mezclas que se van analizar y las proporciones de cada polímero en las mismas. Para el proceso de mezclado se hace uso de un Reómetro, este equipo permite obtener muestras representativas de cada una de las mezclas sin usar demasiado material..

(18) xviii. El propósito de éste análisis es determinar las mezclas que presenten los mejores índices de fluidez, siendo ésta una propiedad fundamental para la elaboración de probetas mediante inyección. En la siguiente etapa se elabora, mediante inyección, probetas para ensayos a flexión de las mezclas que presenten los mejores índices de fluidez. Estas probetas se caracterizan mecánicamente con el fin de determinar la mezcla que presente la mejor resistencia a la flexión, la cual es seleccionada para la última fase del proyecto que es el diseño de los pilotes. Finalmente se realiza un estudio de diseño y simulación de elementos estructurales; pilotes en específico, de un metro de longitud cuyas formas y dimensiones en corte transversal se determina en base a requerimientos de cargas de servicio. Para efectos de simulación se hace uso del paquete informático ANSYS..

(19) xix. ABSTRACT This titling project proposes the recycled polymers reuses to elaborate flexural resistance structural elements. The starting material comes from high and low density wasted polyethylene’s (HDPE and LDPE). This polymers are chosen because of theirs recycling facilities and miscibility. Recycled polymers (HDPE and LDPE) are initially classified according to their chemical composition in order to recycling its later. In the first stage of the recycling process the most appropriated manufacturing process is established for them. In the process, physical and chemical characteristics, like hardness, elasticity and flow index are considered. The process applied to the recycled material are grinding and agglutinating. Grinding is applied in for HDPE because of its hardness and stiffness; and agglutinating for PEBD because of its malleability and elasticity. When this first stage of the project has finished, this two polymers are pelletized one by one. Once the PEAD and PEBD have been pelletized, the number of mixes that will be analyzed and the ratios of each polymer in theirs are determined. This analyze allows to establish the mix that has the best flow index. This property is essential to elaborate specimens by injection and make a mechanical characterization. To develop the physical characterization, a rheometer will be used. This machine allows getting representative samples of each mix without using too much material.. In the next stage, flexural testing specimens that show the best flow index are elaborated by injection. The mechanical characterization of these specimens allows establishing the mix that has the best flexural strength, which one is chosen to design beams..

(20) xx. Finally, a design and simulation of structural elements study; on specific pilotes, is accomplished. These beams have 1 meter in length and their cross-sectional dimensions and shapes are determined considering service load requirements. In order to simulation purposes the ANSYS software package is used..

(21) xxi. PRESENTACIÓN. En los últimos años las mezclas de polímeros han innovado en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos y la introducción de los mismos a nivel industrial, debido a su gran versatilidad en aplicaciones de uso práctico. Al obtener estas mezclas se pretende conseguir materiales que presten las propiedades mecánicas suficientes como para realizar funciones tan comunes como los soportes de rosales en las florícolas. El principal aporte de este proyecto es el uso, como materia prima, de polímeros reciclados. Este aspecto empieza a tomar importancia en virtud del problema ambiental que generan los residuos poliméricos, es por eso que se ha decidido reutilizarlos y así contribuir en la preservación del medio ambiente. Además, mediante simulaciones se muestra como el pilote; mismo que se obtuvo a partir de mezclas de polímeros reciclados, puede tolerar cargas de hasta 90 [N]. Esta característica es más que suficiente para soportar rosales. Con el proyecto, a más de lograr una mezcla polimérica que puede ser utilizada en la fabricación de pilotes, se observa que la misma puede ser aplicada para el desarrollo de otro tipo de elemento estructural que exija mejores características mecánicas..

(22) 1. CAPÍTULO 1 1.1.. INTRODUCCIÓN.. El presente proyecto propone la elaboración de elementos estructurales a partir de polímeros reciclados, otorgándole un valor agregado y una nueva utilidad a los desechos poliméricos En la actualidad existe una gran variedad de polímeros y esto se debe principalmente al amplio espectro de productos que se fabrican con ellos (Elías, 2009). Este hecho desemboca en un resultado obvio, la generación de gran cantidad de desechos; por ello el reciclaje de polímeros ha tomado fuerza a lo largo de los años. A continuación se muestran las emisiones generadas por los polímeros más comunes: Tabla 1. 1. Emisiones a la atmósfera de la fabricación de polímeros. EMISIÓN. PEAD. PP. PVC. PET. 1 kg de tubo. 1 kg de pellet. 1 kg de masa. 1 kg de botellas. Partículas. 7.100. 1.500. 1.700. 5.000. CO. 1.500. 720. 660. 6.000. CO2. 3 millones. 1,9 millones. 1,2 millones. 3,1 millones. SOx. 24.000. 13.000. 5.700. 23.000. NOx. 15.000. 9.600. 6.400. 16.000. Hidrocarburos. 6.200. 2.300. 1.400. 12.000. Metano. 8.300. 6.100. 4.300. 10.000. Hidrógeno. 100. 77. 410. 460. HCL. 230. 33. 70. -. Organoclorados. -. -. 10. -. Fuente: (Elías, 2009). Comprometidos con los esfuerzos a nivel mundial por reducir el impacto ambiental ocasionado por los residuos sólidos resultantes del uso de dichos polímeros, se propone como meta de este trabajo la reutilización de plásticos que se desechan en la ciudad. En este caso particular, se utilizará como materia prima para la fabricación.

(23) 2. de elementos estructurales, artículos plásticos de desecho recolectados por la empresa EMASEO de la ciudad de Quito con quien se ha establecido un compromiso de colaboración. Como antecedentes que justifican esta propuesta, se deben mencionar los siguientes: ·. Los polímeros se fabrican a partir de recursos no renovables como el gas natural y el petróleo.. ·. Periodos de degradación prolongados (décadas o siglos).. ·. Intenso uso de polímeros en artículos de consumo masivo como contenedores de alimentos, prendas de vestir, muebles, celulares, etc.. Esta exagerada dependencia de los polímeros, genera a su vez elevadas cantidades de desechos a tal punto de convertirlos en uno de los contaminantes ambientales más comunes (Clean Up Australia Ltd., 2009). La problemática descrita en líneas anteriores motiva el desarrollo de procesos y tecnologías que permitan la reutilización de este tipo de desechos. Este trabajo, por medio de la reutilización de POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD) y POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD); que junto con el PET se constituyen en los polímeros de uso más común en el mercado, contribuye al crecimiento sustentable de la industria del Ecuador, al ofrecer el desarrollo de elementos estructurales con propiedades mecánicas y físicas que podrían tener las siguientes aplicaciones: ·. Reemplazar el uso de pilotes de madera en la industria florícola.. ·. Elementos estructurales para invernaderos.. ·. Vivienda social a bajo costo con el uso de polímeros reciclados.. Para el desarrollo de este proyecto se ha planteado el siguiente procedimiento: 1. Pre-clasificación de los desechos poliméricos (EMASEO). 2. Clasificación y lavado de los polímeros. 3. Molienda (PEAD) y aglutinado (PEBD). 4. Mezcla y extrusión. 5. Producto final..

(24) 3. De los pasos mencionados anteriormente, el primero es desarrollado por la empresa EMASEO, con la cual se ha establecido un convenio de colaboración mutua para el desarrollo de este proyecto. El producto final debe poseer alta resistencia a la flexión y homogeneidad para que resista las exigencias mecánicas y ambientales a las que será sometido. Cabe resaltar que la mezcla es el paso más importante dentro de este proceso, ya que es allí donde se define, por diseño, la cantidad apropiada de cada polímero para obtener las propiedades deseadas. Es importante anotar también que a pesar de que los dos polímeros empleados son aparentemente semejantes no se los puede procesar de igual manera. El Polietileno de baja densidad (PEBD) debe seguir un proceso denominado de aglutinamiento para obtener materia prima apta para la extrusión, mientras el Polietileno de alta densidad (PEAD) se lo procesa haciendo uso de un molino para polímeros. 1.1.1. OBJETIVO GENERAL. Reutilizar polímeros reciclados en la fabricación de elementos estructurales y verificar sus propiedades mecánicas. 1.1.1.1. ·. Objetivos Específicos.. Clasificar y seleccionar los desechos plásticos en base a su composición química y características físicas para su posterior reciclaje.. ·. Definir un proceso de manufactura adecuado y eficiente para el procesamiento de polímeros reciclados que elimine inclusiones de aire y mejore el comportamiento estructural de los elementos.. ·. Estudiar las propiedades mecánicas a flexión del producto final..

(25) 4. 1.1.2. ALCANCES. En el presente proyecto se analizará el diseño y caracterización de vigas de sección sólida cuadrangular y cuadrangular hueca de un metro de longitud cada una, y sus dimensiones en corte transversal se determinará en base a requerimientos de cargas de servicio y relaciones costo-beneficio. Las siguientes figuras muestran los esquemas de los elementos propuestos: Tabla 1. 2. Esquemas de los elementos estructurales propuestos. SECCIÓN CUADRADA. SECCIÓN CUADRADA. SÓLIDA. HUECA. ESQUEMA DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL Fuente: Propia. La caracterización mecánica se realizará haciendo uso de probetas para ensayos a flexión, mismas que serán elaboradas a partir de mezclas poliméricas. De dichas mezclas se seleccionará la que presente mejores características mecánicas para posteriormente realizar el diseño de los elementos estructurales. El proceso de simulación de las probetas y de los elementos estructurales se llevará a cabo mediante el paquete informático ANSYS 1.1.3. JUSTIFICACIÓN. Se conoce que el proceso de clasificación y selección del material reciclado es de vital importancia para eliminar inclusiones de gas durante el proceso de manufactura [Castro, 2002] lo cual debilitaría la sección transversal del elemento y por tanto la respuesta estructural del mismo. Para alcanzar estos objetivos es necesario: (1) Clasificar los plásticos de acuerdo a su composición química, (2) Seleccionar un proceso de manufactura que elimine inclusiones de aire que podrían afectar la respuesta estructural, y (3) Caracterizar mecánicamente los elementos obtenidos..

(26) 5. El alcanzar los objetivos de este estudio tiene el potencial de reemplazar el uso de vigas de madera o acero que son actualmente utilizadas en la construcción de cercas, o enrejados de soporte en la industria agrícola y en particular en la florícola. Este proyecto busca establecer un referente en el manejo de desechos plásticos, y reducir el impacto ambiental producido por la tala de árboles utilizados para la elaboración de pilotes de madera. La aplicabilidad de este estudio no se limita al diseño de pilotes con capacidad a flexión. Se espera que a futuro se puedan establecer estudios alineados con este proyecto que permitan fabricar y mejorar la respuesta estructural de los elementos y por consiguiente extender su aplicabilidad como elementos estructurales en vivienda alternativa, o como elementos de reforzamiento de estructuras existentes. 1.1.4. METODOLOGÍA. ACTIVIDAD 1: Clasificación de polímeros La clasificación de los polímeros inicia con la recolección y preclasificación de los residuos sólidos reciclables, almacenándolos en un centro de acopio temporal para posteriormente ser clasificados de acuerdo a sus características físicas. En el caso particular de este proyecto, los polímeros se clasificarán de acuerdo a los códigos de identificación, polietileno de alta densidad (PEAD) y polietileno de baja densidad (PEBD), dichos códigos se mencionan más adelante en la tabla 1.8. ACTIVIDAD 2: Proceso de manufactura Para realizar las probetas, y posteriormente simular los elementos estructurales, se empezará con la limpieza del material reciclado para posteriormente procesarlo, en el caso del PEAD se usará un molino de paletas y en el caso del PEBD el material se somete a un proceso de aglutinado. Seguidamente las hojuelas resultantes de los procesos anteriores serán sometidas a una limpieza secundaria, lavado y secado propiamente, con el fin de que no presenten ningún residuo orgánico o inorgánico que perjudique las propiedades que se pretenden obtener luego de ser procesadas..

(27) 6. Lavadas y secadas las hojuelas se combinan cantidades de PEAD y PEBD de acuerdo a proporciones expuestas posteriormente. Combinados los materiales se introduce en una máquina extrusora de la cual se obtienen filamentos de una mezcla entre PEAD y PEBD, mismos que son cortados cada 3 mm, teniendo la apariencia de gránulos que son llamados “pellets”. ACTIVIDAD 3: Elaboración de Probetas de la mezcla resultante del PEAD y PEBD En la realización de las probetas se utilizan los pellets ya que estos tienen el tamaño apropiado para ser usados en la inyectora, con el fin de obtener probetas de polímeros reciclados con dimensiones normalizadas de acuerdo a la norma ASTM D 7264. Dichas probetas serán empleadas para realizar ensayos mecánicos basándose en la norma anteriormente señalada, que cita los ensayos que se pueden realizar a las probetas elaboradas con polímeros. Como se ha mencionado anteriormente, el objetivo de este proyecto se centra exclusivamente en la caracterización mecánica a flexión de las probetas. De acuerdo a la norma ASTM D 7264; la cual refiere a ensayos a flexión para materiales poliméricos de matriz compuesta, se deben hacer 5 pruebas como mínimo para obtener resultados confiables y finalmente elaborar un modelo del elemento estructural propuesto. ACTIVIDAD 4: Simulación del elemento estructural Al realizar los ensayos y obtener datos satisfactorios a nivel de probeta se continúa con la simulación del elemento estructural y se evaluarán los resultados obtenidos (Flexión)..

(28) 7. CAPÍTULO 2 2.1.. MARCO TEÓRICO.. Etimológicamente la palabra polímero proviene de las raíces griegas: poli = muchos y meros=partes, es decir los polímeros son macromoléculas formadas por la unión covalente de pequeñas unidades moleculares conocidas como monómeros. Si representamos con la letra “A” a ésta unidad monomérica, entonces el polímero se representa por: A. A. A. A. A. A. Monómero.- Molécula pequeña de bajo peso molecular que unida a otra por medio de uniones químicas (polimerización) llegan a formar una macromolécula llamada Polímero. Por ejemplo el etileno CH2 al polimerizarse forma el polietileno: CH2. CH2. CH2. CH2. CH2. Los polímeros poseen, en general, la ventaja de permitir manipulaciones químicas y físicas para adquirir diversas formas y propiedades; entre ellas podemos mencionar los agregados químicos como resinas, colorantes, ácidos y procesos físicos como el termo formado, moldeo por inyección entre otros. Cada uno de estos procesos le confiere dureza o elasticidad mejorando las propiedades iniciales de los polímeros. Los elevados pesos moleculares de su estructura química son responsables de la resistencia de los plásticos a la biodegradación. Este elevado peso molecular está relacionado directamente con el grado de polimerización, el cual se define como el número de unidades que se repiten en una molécula. En muchos casos el grado de polimerización (Universidad Politécnica de Madrid, 2008) es muy grande, obteniéndose polímeros de alto peso molecular también llamados macromoléculas..

(29) 8. 2.1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES. Los polímeros presentan las siguientes características generales: ·. Se conforman fácilmente por moldeo.. ·. Baja resistencia a la tracción.. ·. El valor máximo de temperatura que se puede variar es (300ºC, 530ºC).. ·. Gran coeficiente de dilatación térmica.. ·. Las uniones Van-der-Waals (Clark, 2012) originan la buena ductilidad de algunos polímeros.. 2.1.2. PROPIEDADES FÍSICAS GENERALES DE LOS POLÍMEROS. A continuación se mencionarán las propiedades más relevantes y de interés de los polímeros: ·. La temperatura de transición vítrea del polímero Tg (Polymer Science Learning Center, 2005).. ·. El peso medio molecular del polímero. Muchas propiedades de las macromoléculas dependen de su alto peso molecular y de la interacción de sus largas cadenas como por ejemplo: la viscosidad, dureza, temperatura de fusión, resistencia al impacto, elasticidad, resistencia a la tensión.. ·. Densidad del polímero. Tabla 2. 1. Temperatura de Transición vítrea y de fusión de polímeros. POLÍMERO Polietileno. de. Tg (Temperatura de. Tm (Temperatura de. transición vítrea) [°C]. fusión) [°C]. alta. -35 a -120. 135. baja. -35 a -120. 105. densidad (PEAD) Polietileno. de. densidad (PEBD) Fuente: (Ratzlaff, 2004).

(30) 9. Tabla 2. 2. Densidad de algunos polímeros. Densidad [gr/cm3]. POLÍMERO Polietileno de alta densidad (PEAD). £0.952. Polietileno de baja densidad (PEBD). 0,915 - 0,935. Fuente: Propia. ·. Las propiedades físicas de estas moléculas difieren bastante de las propiedades de los monómeros que las constituyen.. ·. Las propiedades van a estar influenciadas por la estructura interna, presencia de fuerzas intermoleculares, etc.. ·. Al ser grandes moléculas, la estructura es generalmente amorfa.. ·. Notable plasticidad, elasticidad y resistencia mecánica. Tabla 2. 3. Propiedades mecánicas de los polímeros. POLÍMERO. Resistencia a la Resistencia a la Módulo de Elasticidad Tracción [MPa]. Polietileno. de. alta. Flexión [MPa]. (E) [GPa]. 59. 86. 2.430. 5 - 25. 75-124. 0.200. densidad (PEAD) Polietileno de baja densidad (PEBD) Fuente: Propia. ·. Alta resistividad eléctrica.. ·. Poco reactivos ante ácidos y bases.. ·. Unos son tan duros y resistentes que se utilizan en construcción: PVC, baquelita, etc.. ·. Otros pueden ser muy flexibles (polietileno), elásticos (caucho), resistentes a la tensión (nylon), muy inertes (teflón), etc.. 2.2.. CLASIFICACIÓN.. Los polímeros se pueden clasificar en base a una gran variedad de criterios, a continuación se mencionarán los más importantes y comúnmente usados:.

(31) CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS. COPOLÍMEROS. INORGÁNICOS. ORGÁNICOS. POR REACCIÓN EN CADENA POR REACCIÓN POR ETAPAS. POR ADICIÓN. DE CONDENSACIÓN. SINTÉTICOS. SEMISINTÉTICOS. NATURALES. RETICULADOS. ENTRECRUZADOS. RAMIFICADOS. LINEALES. TERMOESTABLES. TERMOPLÁSTICOS. ELASTÓMEROS. POLÍMEROS. OLIGÓMEROS. CÓMEROS. COMONÓMEROS. Fuente: Propia. Figura 2. 1. Clasificación de los polímeros. POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA. MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN. PROCEDENCIA. ESTRUCTURA DE CADENA. PROPIEDADES. NUMERO DE MOLÉCULAS DE MONÓMEROS. MONÓMEROS QUE LOS FORMAN. HOMOPOLÍMEROS. AL AZAR. BASADOS EN SILICIO. BASADOS EN AZUFRE. NO VINÍLICOS. VINÍLICOS. DE INJERTO. EN BLOQUE. ALTERNANTES. POLIURETANOS. POLIAMIDAS. POLIÉSTERES. POLÍMEROS ACRÍLICOS. VINÍLICOS HALOGENADOS. POLÍMEROS ESTIRÉNICOS. POLIOLEFINAS. 10.

(32) 11. Debido a que en el desarrollo del presente proyecto se usarán solo dos tipos de polímeros (PEAD y PEBD), a continuación se detalla los criterios de clasificación que los involucran directamente. 2.2.1. POR EL TIPO DE MONÓMEROS QUE LOS FORMAN. Se distinguen los homopolímeros y los copolímeros. 2.2.1.1. Homopolímeros. Son macromoléculas formadas por un único tipo de monómero. Ej. : Polimetacrilato de metilo 2.2.1.2. Copolímeros. Son macromoléculas formadas por varios tipos de monómeros. Ej. Metacrilato de metilo, estireno. Según la forma en que se organicen las diferentes unidades monoméricas se clasifican en: ·. Al azar. ·. Alternantes. ·. En bloque. ·. De injerto. Tanto los homopolímeros como los copolímeros pueden ser lineales, ramificados o reticulados. En el proyecto, al combinar dos tipos de polímeros, la mezcla se convierte en una macromolécula formada por monómeros de PEAD y PEBD que están organizados al azar en las diferentes unidades monoméricas..

(33) 12. 2.2.2. POR LA ESTRUCTURA DE SU CADENA. Se clasifican en lineales, ramificados, entrecruzados y reticulados.. ·. POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD). Figura 2. 2. Ramificaciones de Polietileno de baja densidad (PEBD) Fuente: Propia. Presencia de gran ramificación Densidades entre 0.90 y 0.920 gr/cm3. Mayor desorden, menor cristalinidad, mayor flexibilidad, menor elongación.. ·. POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD). Figura 2. 3. Ramificaciones de Polietileno de alta densidad (PEAD) Fuente: Propia. Presencia de pocas ramificaciones y cortas de 1 a 2 átomos de carbono Mayor linealidad, más orden, por lo tanto, más cristalino. Densidad mayor a 0.938 gr/cm3. Mayor posibilidad de elongación. Más rígidos.

(34) 13. 2.2.3. POR. EL NÚMERO. DE. MOLÉCULAS. DE. MONÓMERO. QUE. LOS. CONSTITUYEN. Oligómeros y polímeros propiamente dichos. Los oligómeros, caracterizados por moléculas que contienen un número pequeño de monómeros, se nombran anteponiendo al nombre del compuesto el prefijo numeral griego correspondiente (dímeros, trímeros, tetrámeros y polímeros). 2.2.4. POR SUS PROPIEDADES FISICO-MECANICAS. Se distinguen los elastómeros, termoplásticos y termoestables 2.2.4.1. Termoplásticos. Los termoplásticos estás constituidos por cadenas de polímeros lineales o ramificados que se deforman o fundes a ciertas temperaturas. En su mayoría son polímeros de alto peso molecular. Si la estructura de sus cadenas moleculares es desordenada estos son amorfos, pero si presentan cierta organización geométrica se los llama semicristalinos. De acuerdo con este criterio se tienen; lineales, ramificados, amorfos y semicristalinos. Dentro de esta clasificación están incluidos los polímeros que se están reciclando por parte del CEGAM, como el PEAD, PEBD, PET, Polipropileno y Policarbonato. En el caso particular de este proyecto se usarán exclusivamente Polietileno de alta y baja densidad. 2.2.5. POR SU PROCEDENCIA. Los polímeros se pueden dividir en naturales y sintéticos. 2.2.5.1. Polímeros Sintéticos. Son aquellos conformados en un laboratorio o industria química, a partir de la polimerización de unidades monoméricas específicas. Ej. : Nylon, poliestireno, policloruro de vinilo (PVC), PEAD, PEBD, etc..

(35) 14. En el proyecto se va utilizar dos tipos de materiales sintéticos que son Polietileno de alta densidad (PEAD) y Polietileno de baja densidad (PEBD) para conseguir una mezcla apropiada para realizar las probetas. 2.2.6. POR SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN. El PEAD y PEBD presentan el siguiente mecanismo de polimerización: 2.2.6.1. Polímeros por adición. Se genera cuando un catalizador inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras otro hasta que la reacción termina. Cabe resaltar que, a pesar de que estos dos polímeros se polimerizan por adición, el PEAD emplea catalizadores tipo Zeigler-Natta (Muñoz, 2004)y en el PEBD el proceso se desarrolla por alta presión 2.2.7. POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA. Se dividen en orgánicos e inorgánicos. 2.2.7.1. Polímeros Orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.. 2.2.7.1.1. Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir: ·. Poliolefinas: formados mediante la polimerización de olefinas. Ej. : polietileno y polipropileno.. ·. Polímeros estirénicos: que incluyen al estireno entre sus monómeros. Ej. : poliestireno y caucho estireno-butadieno..

(36) 15. ·. Polímeros vinílicos halogenados: que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición. Ej. : Policloruro de Vinilo (PVC).. ·. Polímeros acrílicos: Ej. : Polimetilmetacrilato (PMMA).. 2.2.7.1.2. Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia: ·. Poliésteres. ·. Poliamidas. ·. Poliuretanos. 2.2.7.2. Polímeros Inorgánicos. Constituidos por monómeros que poseen elementos distintos del carbono.. 2.3.. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS.. Los polímeros termoplásticos tienen un gran campo de aplicación en la industria actual, sobre todo en las áreas de embalaje, empaquetado y recipientes de almacenamiento de productos alimenticios. A continuación se describen algunos de los usos que tienen los polímeros que frecuentemente se encuentran en el mercado..

(37) 16. Tabla 2. 4. Usos de los polímeros. POLÍMERO. APLICACIONES Termoplásticos Amorfos. Poliestireno. Envases alimenticios, espumas, aislamiento térmico.. Polimetilmetacrilato. Ventanas de aviones, lentes, lunas de faros, pinturas.. Policarbonato. Escudos y cascos protectores, ventanas a prueba de balas, faros. Tuberías, marcos para ventanas, botellas, láminas para empacado.. PVC rígido. Zapatos, juguetería, utensilios para medicina como catéteres.. PVC flexible Semicristalinos Polietileno de alta Botellas para leche y detergentes, tubería, revestimientos de papel. densidad Polietileno de baja Bolsas para embalaje, tapas de recipientes. densidad Polipropileno. Maletas, tuberías, embalaje alimenticio y de flores.. Politetraflúor etileno. Revestimiento para utensilios de cocina, cojinetes, aislantes.. Poliamida Tuberías, textiles, vestimentas, cojinetes, engranajes. Termoestables Epoxi. Adhesivos, revestimientos para la industria alimenticia, química, construcción.. Melamina. Superficies resistentes al calor en cocinas y hornos. Poliéster insaturado. Paneles. para. automóviles. (con. fibra. de. domésticos. Elastómeros Polibutadieno. Neumáticos, sellantes.. Caucho natural. Neumáticos.. Caucho de silicona. Sellantes, mangueras para medicina, pinturas. Fuente: (Cadena & Quiroz, 2000). vidrio),. utensilios.

(38) 17. 2.4.. DEGRADACIÓN DE LOS POLÍMEROS.. El término degradación de polímeros se refiere a los procesos inducidos por luz solar, calor y otros agentes atmosféricos que conducen a una modificación de la estructura del polímero. Al hablar de degradación de polímeros nos referiremos a procesos irreversibles que se producen sobre los mismos y que conllevan a la modificación de su estructura química como así también de sus propiedades físicas. 2.4.1. AGENTES AMBIENTALES. Para facilitar el análisis, los agentes de degradación se clasifican en químicos y energéticos. En los casos reales, todos estos agentes actúan simultáneamente. 2.4.1.1. Agentes Químicos. Muchos reactivos químicos atacan a los polímeros y las reacciones que ordinariamente ocurren con moléculas pequeñas (monómeros) también ocurren en polímeros. Los polímeros comunes, polietileno y polipropileno, son relativamente inertes frente a los productos químicos, pero son atacados por reactivos químicos muy agresivos como lo es, por ejemplo, el gas cloro. 2.4.1.2. Agentes Energéticos. Como se mencionó anteriormente, los factores energéticos pueden deberse a la acción de la temperatura (degradación térmica), de la radiación o de factores mecánicos (degradación mecánica). 2.4.2. TIPOS DE DEGRADACIÓN. A las degradaciones que pueden sufrir los polímeros, las podemos clasificar en los siguientes tipos:.

(39) 18. Tabla 2. 5. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradación.. Agente externo. Tipo de degradación. Luz solar. Fotodegradación. Calor. Degradación térmica. Agentes atmosféricos. Degradación oxidativa. Humedad. Degradación hidrolítica. Hongos y microrganismos Biodegradación Luz + oxígeno. Fotodegradación oxidativa. Calor + oxígeno. Degradación termoxidativa. Luz + humedad. Degradación fotohidrolítica Fuente: (Upcommouns, 2008). 2.4.2.1. Degradación Térmica. La degradación térmica consiste en la rotura de las cadenas del polímero ocasionado por la acción de la temperatura. El proceso de degradación térmica está caracterizado por una serie de índices experimentales Td y Tm. Temperatura inicial de descomposición (Td): es la temperatura a la cual el material pierde el 10% de una propiedad física que interese (resistencia a la tracción, resistencia al impacto, etc.) Temperatura media de descomposición (Tm): es la temperatura a la cual el material pierde el 50% de su peso luego de ser calentado durante 30 minutos. Tabla 2. 6. Temperaturas características de algunos polímeros. POLÍMERO. Td (°C) Tm (°C). Polietileno. 380. 404. Polipropileno. 320. 387. Tereftalato de polietileno (PET). 380. 450. Fuente: (Scribd, 2009).

(40) 19. 2.4.2.2. Degradación por radiación. El proceso hace que el polímero se degrade por acción de la radiación ultravioleta. Ej. : Los polietilenos son más resistentes a las radiaciones que el polipropileno. Tabla 2. 7. Longitudes de onda de algunos polímeros. POLÍMEROS. LONGITUD DE ONDA (nm). Polietileno. 300. Cloruro de Polivinilo (PVC). 310. Polipropileno. 370 Fuente: (Upcommouns, 2008). 2.4.2.3. Biodegradación. Se aplica este término cuando las transformaciones y el deterioro del polímero se debe a la acción de organismos vivos: el proceso está catalizado por la acción de hongos, bacterias, etc. y enzimas segregados por éstos. 2.4.2.4. Degradación mecánica. La degradación mecánica es debida a todas las reacciones químicas que tienen lugar como consecuencia de la aplicación de una tensión al material polimérico. Esta tensión mecánica generalmente está asociada con la maquinaria empleada en la etapa de procesado de estos materiales como: inyectoras o extrusoras; y en la etapa de transformado (molienda, corte, etc.). En el caso particular de este proyecto, y considerando el uso que se le va a dar a los elementos estructurales elaborados (mezcla de PEAD y PEBD), estos estarán sometidos a los siguientes tipos de degradación polimérica. ·. Radiación. El polietileno se degrada cuando se someten a longitudes de onda de 300 nm en adelante. En Ecuador gran parte de la radiación solar es absorbida por la atmósfera, ocasionando longitudes de onda comprendidas entre los 280 y 400 nm que alcanza la superficie terrestre (UV). Puesto que la energía de esta radiación va de 72 a 100.

(41) 20. Kcal, es suficiente para producir la rotura de los enlaces covalentes y ocasionar el amarilleo y fragilidad de los polímeros orgánicos. ·. Biodegradación. Al encontrarse el polietileno con residuos orgánicos comienza la colonización y proliferación de bacterias, hongos, levaduras y sus enzimas consumen una sustancia polimérica como una fuente de alimento tal que su forma original desaparece. Es un proceso relativamente rápido bajo las condiciones apropiadas de humedad, pH, temperatura y oxígeno disponible. ·. Degradación mecánica. El polietileno sufre de este tipo de degradación debido a que es sometido a una etapa de transformado que es el molido y aglutinado de todo el material sólido y una etapa de procesado, al momento de someterlo a la inyectora y extrusora.. 2.5.. SELECCIÓN DE POLÍMEROS.. En el proceso de reciclaje se tomarán en cuenta dos tipos de polímeros (PEAD y PEBD) los cuales tendrán una adecuada separación previa que determinará que los productos sean de buena calidad y posteriormente facilite su procesamiento. A continuación se muestran algunos métodos de identificación establecidos por la Sociedad de Industrias del Plásticos. Estos métodos van a ser utilizados para la clasificación de los polímeros de desecho reciclables que nos proporciona EMASEO mediante el CEGAM. 2.5.1. DE ACUERDO A LA SOCIEDAD DE INDUSTRIAS DEL PLÁSTICO. La Sociedad de Industrias del Plástico (SPI) ha desarrollado unos códigos para identificar a los plásticos que se utilizan como recipientes y contenedores, los cuales generalmente están localizados en la base de los recipientes. Estos códigos se muestran en la tabla a continuación:.

(42) 21. Tabla 2. 8. Códigos de identificación de los polímeros termoplásticos. Tereftalato de. Polietileno de alta. Polietileno. densidad. Polipropileno. Policloruro de vinilo. Polietileno de baja densidad. Poliestireno. Otros. Fuente: (Cadena & Quiroz, 2000). Debido a que es de nuestro interés solo dos de estos polímeros (PEAD y PEBD) se los analizará más en detalle a continuación. 2.5.1.1.. Polietileno (PE).. El polietileno es un termoplástico fabricado a partir del etileno (elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas natural), en forma de gránulos o de polvo blanco. Sus propiedades técnicas dependen de la masa molecular, la ramificación de la cadena y el grado de cristalinidad, por el método de elaboración influye considerablemente, especialmente en la presión. Todos los polímeros derivados del etileno tienen una gran resistencia a los productos químicos, ácidos, bases, aceites, grasas, disolventes… Sin embargo, su resistencia es moderada para los hidrocarburos normales y clorados. El etileno, según la temperatura a la que se someta, puede transformarse en dos compuestos, el polietileno de alta densidad o PEAD por sus siglas en inglés y polietileno de baja densidad o PEBD. Es importante citar que el polietileno en comparación con otro tipo de polímero presenta una buena protección contra la humedad y el agua. (Cadena & Quiroz, 2000)..

(43) 22. Tabla 2. 9. Características del PEAD. PEAD: Polietileno de alta densidad ·. El polietileno de alta densidad es un termoplástico fabricado a partir del etileno a temperaturas inferiores a 70°C y presión atmosférica.. ·. Polimeriza con estructura lineal (de tipo cristalino), y densidad comprendida entre 0,94 y 0,96 [kg/dm3].. ·. Es muy versátil y se lo puede transformar de diversas formas: inyección, soplado extrusión o rotomoldeo.. USOS Y APLICACIONES: El PEAD, polietileno de alta densidad, se utiliza para fabricar bolsas, cajas de botellas, tuberías, juguetes, cascos de seguridad laboral. Gracias a su estructura lineal sirve para cuerdas y redes de pesca, lonas para hamacas. La resistencia térmica permite usarlo para envases que deban ser esterilizados en autoclave (leche, sueros.). También en construcción se utiliza en tuberías para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario.. CARACTERÍSTICAS ·. Resistentes a las bajas temperaturas. ·. Irrompible. ·. Impermeable. ·. No tóxico Fuente: Propia.

(44) 23. Tabla 2. 10. Características del PEBD. PEBD: Polietileno de baja densidad · Es un polímero termoplástico conformado por unidades repetitivas de etileno. · A temperaturas de unos 170°C y 1400 atmósferas de presión el etileno se transforma en un polímero con aspecto de polvillo blanco, estructura muy ramificada (amorfa, algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno). USOS Y APLICACIONES: El PEBD, polietileno de baja densidad, se utiliza para fabricar bolsas flexibles, embalajes industriales, techos de invernaderos agrícolas. También gracias a su resistencia dieléctrica se utilizan para aislante de cables eléctricos.. Recubrimiento del hormigón fresco, evitando la evaporación prematura del agua y preservándolo de las heladas. Revestimiento de encofrados, facilitando el desmoldeo y dando un perfecto acabado al cemento.. CARACTERÍSTICAS ·. Gran flexibilidad y extraordinaria resistencia química y dieléctrica. ·. Resistente a las bajas temperaturas. ·. Irrompible e impermeable. ·. No tóxico. ·. Facilidad y bajo costo de fabricación. ·. Se transforma por inyección, soplado, extrusión o rotomoldeo. Fuente: Propia.

(45) 24. 2.5.2. DE ACUERDO A LA MARCA COMERCIAL DEL PRODUCTO. Dentro de esta clasificación se definen los siguientes criterios: ·. Si se trata de bolsas de supermercado que “crepitan”, el material será polipropileno (PP), si no lo hacen es polietileno (PE).. ·. En bolsas transparentes que crepitan, utilizadas para envolver fideos y diversos productos fritos (chifle cervecero, tortolines, jalapeños, tostitos, etc.), también se usa polipropileno (PP).. ·. Los recipientes para microondas son de polipropileno (PP).. ·. En bolsas para empaquetar pañales desechables y para fabricar algunas tapas para recipientes (la más flexibles), se usa polietileno de baja densidad (PEBD o PEBD).. ·. Para guardar alimento en forma de polvo (chocolisto, nesquik) se suele usar polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD).. ·. Las botellas grandes y opacas para agua (de aproximadamente 5 litros) son de polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD).. ·. Recipientes para limpieza (Woolite, mimosín, suavitel, ajax) son de polietileno de alta densidad (PEAD), aunque otros prefieren el polipropileno (PP), por ejemplo los productos de limpieza de la serie Klin.. ·. Si son recipientes transparentes para gaseosas (Coca cola, Fioravanti, etc.) o agua mineral de pequeña capacidad (fontana, agua linda, pure water, etc.), generalmente se trata de tereftalato de polietileno (PET o PETE).. ·. Los recipientes para aceites comestibles (La Favorita), se fabrican con tereftalato de polietileno (PET o PETE).. ·. La marca Johnson & Johnson usa policloruro de vinilo (PVC) para envasar sus shampos y aceites, estos recipientes son transparentes. Para el caso de aceites cremosos, se usan recipientes no transparentes. De polietileno de alta densidad (HDPA o PEAD).. ·. Las tuberías de alcantarillado y algunos tipos de recipientes (como limpiavidrios Easy-Off) son de policloruro de vinilo (PVC)..

(46) 25. ·. Las bandejas en las cuales se almacena carne o pescado (espumas) son de poliestireno (PS), de igual manera lo son las tapas que se colocan a los vasos de cartón en los cuales se expenden las bebidas gaseosas.. ·. Los vasos plásticos transparentes más rígidos y frágiles, son de poliestireno (PS), mientras que los más flexibles pueden ser de poliestireno de “choque” (polímero reforzado) o de polietileno (PE).. ·. Los recipientes pequeños para yogurt (Toni, Alpina) son de poliestireno (PS), pero en los recipientes más grandes se usa polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD).. ·. Los textiles sintéticos se fabrican con poliésteres lineales o con nylon (PA).. ·. En los casos en los cuales la apariencia del material es similar, se lo puede diferenciar por la manera como han sido fabricados, así por ejemplo, las botellas de tereftalato de polietileno (PET) y de policloruro de vinilo (PVC) suelen ser trasparentes (las de PVC algo más azuladas), pero si se observa la forma de la base, se puede notar la diferencia entre un material y otro (producto de su método de fabricación)..

(47) 26. CAPÍTULO 3 3.1.. PROCESOS DE RECICLAJE DE POLÍMEROS.. Para asegurar la obtención de un producto final que cumpla con los requerimientos mecánicos a flexión, es necesario establecer un proceso de elaboración de los mismos que garantice dicho objetivo. Para ello se establece el siguiente proceso.. CLASIFICACIÓN DE LOS DESECHOS PEAD. PEBD. MATERIA PRIMA POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD. POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD. LIMPIEZA. MOLIDO DE PEAD. AGLUTINADO DE PEBD. 2DA SELECCIÓN. LAVADO. SECADO. EXTRUIDO. PELETIZADO MOLDEADO POR INYECCIÓN CARACTERIZACIÓN MECÁNICA. Figura 3. 1. Proceso de reciclaje de polímeros Fuente: (Taiwan Turnkey Project Association, 2010). ALMACENAMIENTO.

(48) 27. 3.2.. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.. 3.2.1. RECOLECCIÓN. Este proceso es auspiciado por EMASEO EP y al tener un componente de inclusión social se prevé la participación activa de la Secretaría de Desarrollo Económico, CONQUITO, la Administración Zonal Manuela Sáenz y la Secretaria de Ambiente. El trabajo de recolección lo realizan los gestores (personas encargadas de la recolección en campo) que empiezan con el acopio diferenciado de residuos reciclables (papel, cartón y envases plásticos), en las Administraciones Zonales pertenecientes al cantón Quito.. Figura 3. 2. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano Fuente: CEGAM.

(49) 28. 3.2.2. CLASIFICACIÓN DE DESECHOS. El material reciclado que nos proporciona el CEGAM es de la Administración Zonal Manuela Sáenz que cubre el sector que va de norte a sur desde las calles José Joaquín Olmedo hasta la Vicente Rocafuerte y de oriente a occidente desde la avenida Pichincha hasta la avenida Mariscal Sucre respectivamente.. Figura 3. 3. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano Fuente: CEGAM. En éste sector los gestores realizan la recolección de campo y una preclasificación de los residuos reciclables (papel, cartón y envases plásticos), que los almacenan en puntos de acopio temporales para posteriormente todo el material almacenado sea trasladado al CEGAM. El material recolectado es trasladado por EMASEO EP al Centro de Educación y Gestión Ambiental (CEGAM), el centro está equipado con una compactadora, balanzas eléctricas, coches, mesas de trabajo, guillotinas para facilitar el procesamiento del material..