Los residuos plásticos son uno de los principales problemas ambientales en la actualidad, como consecuencia del acelerado crecimiento demográfico y los nuevos patrones de consumo de la sociedad. La tesis presenta la caracterización de mezclas binarias y ternarias de PE/PP y PE/PP/GTR, con la incorporación de diferentes compatibilizadores y la manipulación de la microestructura de las mezclas binarias.
Problemática e importancia del tema
Concepto de sostenibilidad
Durante la década de 1990 se entendía que la sostenibilidad se lograba combinando tres dimensiones: económica, social y ambiental. Luego se demostró que la sostenibilidad no se reduce a la combinación de estas tres dimensiones, sino que la sostenibilidad económica depende de la sostenibilidad social, y estas dos dependen de la ambiental.
Economía circular
Recientemente, una nueva visión ha formulado que el desarrollo sostenible tiene una cuarta dimensión: el tiempo, ya que las acciones hacia la sostenibilidad tienen un impacto en el corto, mediano y largo plazo (Calvente 2007). La economía circular propone un nuevo paradigma que modifica la forma en la que producimos y consumimos actualmente.
Producción mundial de plásticos
La producción de plástico depende en gran medida de los hidrocarburos fósiles, que son recursos no renovables. Alrededor del 36% del plástico se utiliza para aplicaciones desechables como embalajes, películas agrícolas y artículos de consumo desechables.
Final de vida útil (end of life)
Sin embargo, estos desafíos sociomateriales requieren un enfoque sistémico para la gestión de residuos plásticos.
Contaminación ambiental y sus efectos
Neumáticos fuera de uso
Al final de su vida útil, los neumáticos fuera de uso son un tipo de residuo no peligroso con características y propiedades especiales. Los neumáticos fuera de uso son uno de los tipos de residuos para los que aún no existe un sistema formal de recuperación en Argentina.
Residuos sólidos urbanos
Los principales componentes del plástico PSW son los que provienen de envases fabricados con polietileno (PE), polipropileno (PP) y poliestireno (PS). Clasificación de plásticos de PSW en el área metropolitana de la provincia de Buenos Aires.
Poliolefinas: principales componentes de los PSW
Cuando todos los grupos metilo están en el mismo lado de la cadena principal se denomina PP isotáctico, cuando se alternan en ambos lados de la cadena PP sindiotáctico y cuando no tienen orden aparente de PP atáctico (Figura 1-10). La forma isotáctica es la que presenta mayor grado de cristalinidad, seguida de la sindiotáctica, mientras que el PP atáctico presenta baja cristalinidad al carecer de ordenamiento espacial.
Reciclado de polímeros
Reciclado de neumáticos
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Por lo tanto, encontrar métodos tecnológicamente viables y rentables para el reciclaje de neumáticos es de vital importancia. La primera etapa de la operación de reciclaje de neumáticos consiste en la extracción selectiva de sus componentes para su posterior reutilización.
Reciclado de poliolefinas
- Reciclado de mezclas de polímeros
En el caso de mezclas de polímeros inmiscibles, se pueden esperar cuatro morfologías básicas: dispersión de la fase secundaria en la fase continua principal (morfología de partícula o dominio), fibras sumergidas en la fase principal, fases planas alternas (morfología de lámina) y co- Morfología continua (Ajitha 2019). La compatibilización es un método de modificación en el que la morfología de la mezcla de polímeros inmiscibles se puede controlar para mejorar las propiedades de la mezcla.
Objetivos
Objetivos específicos
Organización de la tesis
En este capítulo se presentan primero los materiales utilizados en el desarrollo de esta tesis. Posteriormente se realiza una descripción de las diferentes técnicas y metodologías de caracterización utilizadas para el estudio de las diferentes mezclas obtenidas durante este trabajo.
Materiales
- Polietileno de baja densidad y polipropileno vírgenes
- Polietileno de baja densidad y polipropileno reciclados
- Compatibilizantes
- Partículas Ground Tire Rubber (GTR)
Se compone principalmente de caucho de estireno-butadieno (SBR) y se deriva de los flancos de neumáticos de desecho.
Obtención de piezas a partir de mezclas PE/PP
Técnicas experimentales de caracterización
Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR)
La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) implica la interacción de la radiación infrarroja con la materia; ya que las moléculas absorben frecuencias características de su estructura cuando un haz de luz infrarroja las atraviesa. El haz de infrarrojos incide en la superficie del prisma, produciendo una reflexión múltiple interna, y la superficie de la muestra absorbe parte de la radiación a frecuencias características.
Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
Del primer calentamiento se obtuvieron los valores de Tm y Xc de cada material, permitiendo así determinar parámetros teniendo en cuenta los distintos cambios sufridos durante su procesamiento. A partir del segundo calentamiento, previa eliminación completa del historial térmico del material, se obtuvieron los valores de Tm de las fases poliméricas para compararlas entre sí.
Reometría
Las superficies de fractura de las mezclas mostraron una fase de matriz altamente fibrilada y plásticamente deformada. Después del estiramiento, ambos componentes de la mezcla de polímeros (mayoritario y disperso) logran orientación y se desarrolla la morfología de las fibrillas, por lo que la mezcla estirada se denomina mezcla microfibrilada (MFB).
Tracción uniaxial
Comportamiento a la fractura
- Procedimientos experimentales de fractura utilizados en la presente
La premisa básica de la Mecánica de Fracturas es la existencia de grietas o defectos en el material (Karger-Kocsis y Mouzakis 1999). Esquema del área de fractura transversal de muestras DDENT post mortem examinadas por SEM.
Metodologías de la Mecánica de Fractura utilizadas en esta tesis
- Régimen frágil
- Régimen semi-frágil
- Régimen semi-dúctil
- Régimen post-fluencia
Como solución de compromiso, el parámetro de fractura adoptado para caracterizar este tipo de comportamiento es el valor de la integral J en el máximo del registro carga-desplazamiento (Jmax). Los valores de 𝛽𝑦 y 𝛽𝑛 son factores geométricos relacionados con la forma de la zona plástica durante la deformación y el estrechamiento, respectivamente.
Comportamiento bajo condiciones severas
- Impacto en tracción
- Impacto Izod
En el desarrollo de esta tesis se evaluó el comportamiento de impacto de la mezcla mediante dos métodos diferentes, los cuales se describen con mayor detalle a continuación. Esta prueba se utilizó para comparar el comportamiento de impacto de las mezclas utilizando un péndulo Wollpert con instrumentos (Instituto de Tecnología y Nanotecnología de Polímeros, Buenos Aires, Argentina).
Mezclas LLDPE/ PP vírgenes
Materiales y método de procesamiento
Luego se aumentó la presión a 10 MPa para dar forma al material fundido y eliminar las burbujas de aire atrapadas durante la fusión.
Caracterización general
- Caracterización morfológica
- Caracterización microestructural
- Caracterización térmica
- Comportamiento reológico
El porcentaje de cristalinidad (Xc) de PP y LLDPE en las mezclas se muestra en las Figuras 3-6. Viscosidad compleja en función de la frecuencia para mezclas vírgenes de LLDPE/PP con diferentes compatibilizadores.
Comportamiento mecánico
El aumento del módulo elástico es indicativo del aumento de la rigidez de los materiales. Por otro lado, las propiedades de tracción de mezclas inmiscibles dependen de varios factores interrelacionados: la adhesión entre las fases y el tamaño del dominio del componente disperso, ambos controlados principalmente por la tensión interfacial (Borovanska et al. 2012).
Comportamiento a la fractura
Comportamiento reológico
Comportamiento mecánico y a la fractura
La presencia de MB4 mejora ligeramente el módulo de Young y la resistencia a la tracción de la mezcla reciclada (Tabla 3-6). En la Figura 3-22 se muestran micrografías SEM obtenidas de las superficies de fractura de las mezclas recicladas.
Conclusiones
Al realizar una caracterización completa de esta muestra, se demostró que la morfología y el comportamiento térmico, reológico y mecánico siguen siendo similares a los de una mezcla compatible con una mayor cantidad del mismo MB (PR-10MB4). En este capítulo se presenta una caracterización completa de mezclas de LLDPE/PP con diferentes proporciones relativas de ingredientes.
Materiales y método de procesamiento
Caracterización general
- Caracterización morfológica
- Caracterización microestructural
- Análisis por espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR)
- Caracterización térmica
Micrografías SEM de superficies criofracturadas en el área de la línea de soldadura de las mezclas 7525 y 2575. Los picos de los difractogramas son más intensos en la muestra de piel que en la muestra del núcleo.
Comportamiento mecánico convencional
Este comportamiento se manifiesta por una disminución en la pendiente de la curva carga-desplazamiento hasta alcanzar el esfuerzo máximo (Galeski 2003). La predicción de la regla de mezcla también se representó en el gráfico de la Figura 4-10.
Comportamiento en condiciones de impacto
EFECTO DE LA RELACIÓN LLDPE/PP La tensión máxima alcanzada en cada material mostró una tendencia dependiendo de la composición. Sin embargo, fue posible comprender la independencia de la resistencia al impacto (energía de impacto) con la composición de la mezcla.
Comportamiento a la fractura
Condiciones de solicitación cuasi-estáticas
Micrografías SEM de las superficies de fractura de la mezcla 2575 a) piel delaminada y deformada; (b) piel quebradiza y rota; Micrografías SEM de las superficies de fractura de la mezcla 5050 a) deformación plástica en el cuerpo de la muestra; (b) fibrilación masiva;.
Mecanismos de deformación
El proceso de cavitación va acompañado de la formación de una estructura fibrilar dentro de la matriz. En el caso de la mezcla 5050, el mecanismo de deformación fue diferente al explicado anteriormente y se describe en la Figura 4-29(b).
Determinación de la tenacidad
- Comportamiento con inestabilidad dúctil
- Comportamiento post-fluencia
- Influencia de la composición en la resistencia a la fractura
Este requisito garantiza que la propagación de grietas se produzca en condiciones de tensión similares, a pesar de las diferentes longitudes de ligamentos. EFECTO DE LA RELACIÓN LLDPE/PP La Figura 4-33 muestra los parámetros de fractura us y JC en el mismo gráfico.
Correlación entre microestructura y comportamiento mecánico
EFECTO del contenido máximo de la RELACIÓN LLDPE/PP (Épinat, Trouillet-Fonti y Sotta 2018; Jose et al. 2004), debido a la ocurrencia de coalescencia. A medida que aumenta el contenido de la fase dispersa, las partículas se vuelven más grandes debido al fenómeno de recombinación (probabilidad de colisión).
Conclusiones
A medida que disminuye el contenido de la fase dispersa, también disminuye la probabilidad de colisión y recombinación de partículas (González-Nuez et al. A complete Characterization of LLDPE/PP/GTR ternary materials with varias proporciones relativas de partículas de caucho de tres tamaños diferentes.
Materiales utilizados y método de procesamiento
Posteriormente, las mezclas extruidas y granuladas se moldearon por inyección a 210°C en una inyectora Multiplast 10T (Laboratorio de Materiales, INTEMA). El molde utilizado permite obtener placas redondas con un diámetro de 80 mm y un espesor de 2 mm (Figura 5-1).
Caracterización general
Caracterización morfológica
La matriz presentó una superficie rugosa prácticamente idéntica a la de las mezclas libres de partículas del Capítulo 4. La Figura 5-2 muestra el desprendimiento de partículas de la matriz como resultado de la incompatibilidad y la falta de adhesión interfacial (Lievana 2005;.
Caracterización microestructural
La morfología de la matriz no se vio alterada por la incorporación de las partículas debido a la baja compatibilidad entre el LLDPE, el PP y las partículas elastoméricas (Sonnier et al. 2007). Las partículas más pequeñas (<300 µm) también mostraron algunos dominios agrupados, como se muestra en la Figura 5-2.
Caracterización térmica
Con base en todos los resultados mencionados anteriormente, se puede decir que el tamaño y porcentaje de partículas no tuvieron influencia en la temperatura de fusión de las fases LLDPE y PP de la matriz, ni en la estructura cristalina (o transiciones térmicas). la cantidad de cristales formados (Sonnier et al. 2006). Estos estudios abarcaron composiciones con variaciones entre 30 y hasta 70% de polvo de GTR, con pequeños cambios en la temperatura de fusión de la matriz (alrededor de 3°C), variaciones en el porcentaje de cristalinidad (disminuciones del 10%) y un fuerte efecto negativo. (aproximadamente 200%) sobre las propiedades mecánicas de tracción (módulo de Young y resistencia a la tracción) (Magioli et al. 2010; Sonnier et al. 2007).
Comportamiento mecánico
Condiciones de solicitación cuasi-estáticas
En el recuadro de las muestras ensayadas en la Figura 5-10, se puede observar claramente la apariencia de un área blanqueada debido a la deformación plástica. Se observó una diferencia en el valor DL para diferentes materiales, dependiendo del tamaño de partícula y la composición de la mezcla.
Mecanismos de deformación
El desprendimiento de partículas de caucho alivia los campos de tensión triaxiales de las partículas a estados de tensión biaxiales y uniaxiales (Mazidi 2018). Estas condiciones de tensión son favorables para la fluencia y la deformación plástica del material de la matriz alrededor de las partículas dispersas.
Determinación de la tenacidad a la fractura
Se encontraron grandes diferencias en el comportamiento de fractura para las mezclas ternarias, con respecto a la matriz. Las superficies de fractura de las muestras de la mezcla sometidas a pruebas de impacto y del MFC no consolidado se presentan en la Figura 6-11.
Correlación entre microestructura y comportamiento mecánico
Conclusiones
A pesar de los diferentes porcentajes y tamaños de partículas incorporadas, la microestructura de los materiales ternarios no se modificó significativamente: no se observaron cambios en la estructura cristalina de los componentes de la matriz (LLDPE y PP) debido a la presencia de las partículas. En cuanto a las propiedades mecánicas estudiadas, el comportamiento a tracción de los materiales ternarios estuvo ligeramente influenciado por la composición de la mezcla y estuvo directamente relacionado con las características de las partículas incorporadas.
Obtención de compuestos microfibrilados
La figura superior izquierda muestra el comportamiento de las muestras luego de la primera etapa, correspondiente a la extrusión de las mezclas. Duplicar la cantidad de compatibilizador no tuvo un efecto significativo sobre la resistencia al impacto de las mezclas o de los compuestos MFC, de acuerdo con Zanjanijam et al.
Materiales utilizados y método de procesamiento
Caracterización general
Caracterización morfológica
Para revelar la morfología de las muestras, se obtuvieron micrografías SEM de superficies criofracturadas de filamentos extruidos no estirados y estirados (zonas A y B en la Figura 6-2). Micrografías SEM de superficies criofracturadas longitudinalmente de filamentos extruidos de la mezcla LDPE/PP.
Caracterización térmica
Después del proceso de inyección, se observa una diferencia notable en la forma del endotermo de fusión de PP. Entonces se produce una recristalización exotérmica, superpuesta por una fusión endotérmica, que se observa en la endotermia como un doble pico de fusión.
Comportamiento mecánico
Variación del porcentaje de cristalinidad de LDPE y PP en las mezclas no estiradas y los compuestos microfibrilados. COMPUESTOS MICROFIBRILADOS (MFC) A pesar de que los MFC mostraron un menor porcentaje de cristalinidad en ambas fases, la mejora del comportamiento mecánico bajo tracción se puede atribuir a una mayor interacción interfacial.
Comportamiento en condiciones de impacto
La presencia del compatibilizador condujo a un ligero aumento en la resistencia al impacto de los materiales en relación con las muestras sin compatibilizador (Figura 6-10). En la Figura 6-12 se muestran micrografías SEM de las superficies de impacto fracturadas de mezclas no estiradas y MFC con diferentes cantidades de compatibilizador.
Comportamiento a la fractura
Comportamiento a la fractura en condiciones cuasi-estáticas
Para este último, la disminución de la carga desde el vértice fue más gradual a medida que aumentaba el desplazamiento. Por lo tanto, los cálculos del trabajo específico de rotura se realizaron tomando las curvas hasta la carga máxima (se hizo una división entre cesión y tracción), de la misma manera que en el capítulo 4.
Determinación de la tenacidad a la fractura
La similitud geométrica es un criterio esencial para la aplicabilidad de la técnica EWF como se mencionó en capítulos anteriores, asegurando que la propagación de grietas ocurra bajo condiciones de tensión similares. Trabajar con flujo específico (wf,y) en función de la longitud del ligamento (L), luego de realizar la separación de energía; para mezclas y MFC.
Conclusiones
Aplicaciones de material reciclado
Mezclas binarias LLDPE/PP
Mezclas ternarias LDPE/PP/GTR
Conclusiones
Conclusiones generales del trabajo de tesis
Trabajo futuro
