IQ-2005-I-17 ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIETILIENO DE ALTA DENSIDAD REFORZADO CON CASCARILLA DE CAFÉ MAURICIO LEMUS MUÑOZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2005
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IQ-2005-I-17
ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DEL POLIETILIENO DE ALTA DENSIDAD REFORZADO CON CASCARILLA DE CAFÉ
MAURICIO LEMUS MUÑOZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2005
IQ-2005-I-17
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ANÁLISIS DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIETILIENO DE ALTA DENSIDAD REFORZADO CON
CASCARILLA DE CAFÉ
MAURICIO LEMUS MUÑOZ
Proyecto de grado para optar por el titulo de Ingeniero Químico
Asesores:
Miguel W Quintero Ingeniero Químico
Jorge Alberto Medina Perilla
Ingeniero Mecánico Dr. Ingeniería Industrial
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. JULIO DE 2005
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Para mi Familia; Mis padres, mi hermano y mi tía,
los pilares de este proyecto de ser, quines son mi corazón en la batalla y con los que la vida me ha querido premiar por adelantado.
Mi padre, el amigo ideal.
Mi hermano, el mejor y más paciente tipo del mundo. Mi madre, la luz del camino.
Mi tía, la mística y la esperanza.
Para aquella persona que me abrió los ojos a la vida y me enseño su verdadero color, por quien elegí este rumbo y deseo seguir adelante.
Y para mis verdaderos amigos, compañeros de juerga y oportunos escuderos en los
momentos más difíciles de mi vida.
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Dirijo mi entera gratitud a:
• El profesor Miguel Quintero por sus oportunos consejos y su apoyo • El profesor Jorge Medina por extenderme una mano cuando la necesite • Paola Bocanegra por su incondicional apoyo y por dañar una que otra probeta • Alejandro Becerra y Jimmy Niño por su desinteresado y leal compromiso
Personas claves y fundamentales durante la marcha de este trabajo. Una vez mas mil gracias.
3.1. MATERIALES.................................................................................................... 25 3.2. PREPARACION DEL MATERIAL COMPUESTO.......................................... 26
A. RESULTADOS……………………………………………………………..55 C. GRÁFICAS DE SUPERFICIE……………………………………………...61 D. GRÁFICAS DE CREEP…………………………………………………….64
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LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Composición Química del Cisco de café.......................................................... 18 Tabla 2. Propiedades mecánicas del PEAD.................................................................... 25 Tabla 3. Formulaciones .................................................................................................. 29 Tabla 4. Resultados T amb y 8.25 MPa (esfuerzo) ........................................................ 34 Tabla 5. Resultados T amb y 10.32 MPa (esfuerzo) ..................................................... 34 Tabla 6. Resultados T amb y 12.55 MPa (esfuerzo) ...................................................... 34 Tabla 7. Resultados T 50ºC y 8.25 MPa (esfuerzo) ...................................................... 34 Tabla 8. Resultados T 50ºC y 10.32 MPa (esfuerzo) .................................................... 35 Tabla 9. Resultados T 50ºC y 12.55 MPa (esfuerzo) .................................................... 35 Tabla 10. ANOVA esfuerzo 8.25 MPa .......................................................................... 37 Tabla 11. ANOVA esfuerzo 10.32 MPa ........................................................................ 39 Tabla 12. ANOVA esfuerzo 12.55 MPa ........................................................................ 42
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INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Puntos de observación .............................................................................. 21 Ilustración 3. Cisco de café............................................................................................. 26 Ilustración 4. Agitador Ro-Tap....................................................................................... 27 Ilustración 5. Horno BLUE M........................................................................................ 27 Ilustración 6. Reómetro de torque Brabender plasticorder............................................. 28 Ilustración 7. Molino de muelas Condux Cs-150........................................................... 29 Ilustración 8. Mezcla granulada...................................................................................... 30 Ilustración 9. Prensa DAKE ........................................................................................... 31 Ilustración 10. Lámina de moldeo Ilustración 11. Molde de Troquelado ............................................................................ 31 Ilustración 12. Probetas para Creep................................................................................ 32 Ilustración 13. Montaje a Temperatura ambiente Ilustración 14. Horno para pruebas a 50ºC.................................................................... 33 Ilustración 15. Termocupla para verificar T del horno Ilustración 16. Montaje al interior del horno................................................................. 33 Ilustración 17. Gráficas residuales para 8.25 MPa ......................................................... 36 Ilustración 18. Histograma tiempo de ruptura 8.25 MPa ............................................... 36 Ilustración 19. Gráficas residuales para 10.32 MPa ....................................................... 38 Ilustración 20. Histograma tiempo de ruptura 10.32 MPa ............................................. 39 Ilustración 21. Gráficas residuales para 12.55 MPa ....................................................... 40 Ilustración 22. Histograma tiempo de ruptura para 12.55 MPa ..................................... 41 Ilustración 23. Respuesta Vs Factores 8.25 MPa ........................................................... 44 Ilustración 24. Respuesta Vs Factores 10.32 MPa ......................................................... 44 Ilustración 25. Respuesta Vs Factores 12.55 MPa ......................................................... 45 Ilustración 26. Gráfica de efectos principales 8.25 MPa................................................ 46 Ilustración 27. Gráfica de efectos principales 10.32 MPa.............................................. 47 Ilustración 28. Gráfica de efectos principales 12.55 MPa.............................................. 47 Ilustración 29. Gráfica de interacción 8.25 MPa ............................................................ 49 Ilustración 30. Gráfica de interacción 10.32 MPa .......................................................... 49 Ilustración 31. Gráfica de interacción 12.55 MPa .......................................................... 50
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RESUMEN
En este trabajo, se estudió el efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas
de materiales compuestos de polietileno de alta densidad y cascarilla de café mediante
el análisis del comportamiento de la deformación del material con el tiempo al estar
sometido a un esfuerzo constante para dos temperaturas diferentes (17 ºC y 50 ºC), sin
embargo, al determinar que el cambio en la deformación con el tiempo es despreciable,
se analizó para estas dos temperaturas el tiempo necesario para la ruptura del material,
para los esfuerzos constantes establecidos en el análisis de deformación. Las variables
de proceso trabajadas en la elaboración de este material fueron el porcentaje en peso de
la fibra de refuerzo (40%, 50 % y 60%) y el tamaño de partícula mediante una
separación con tamices Standard (mallas número 30, 40 y 50). La compatibilidad entre
la fibra y la matriz se logro mediante la adición de un 1% en peso de polietileno lineal
con adición de anhídrido maléico. Los resultados indican que hay una disminución en el
tiempo necesario para la ruptura del material con el aumento de la temperatura. Sin
embargo, el tiempo de ruptura del material aumenta por la adición de la fibra,
mostrando mejores resultados cuando el contenido del refuerzo aumenta y el tamaño de
partícula disminuye, a excepción de aquellos materiales compuestos en los que se
manejo un mayor tamaño de partícula ya que exhiben un desempeño opuesto para la
cantidad de fibra agregada.
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INTRODUCCIÓN
El desarrollo de compuestos plásticos reforzados con material ligno-celulósico nace
debido a la necesidad de sustituir otro tipo de fibras minerales o cristalinas que
implicaban un mayor costo de producción y el uso de materiales más pesados, menos
flexibles y menos amigables ambientalmente. Por lo tanto una excelente alternativa para
conseguir características totalmente opuestas a las anteriores, se ha obtenido con las
fibras naturales que demuestran además muy buenas propiedades mecánicas.
Dentro del ámbito de estos materiales compuestos, los de mayor aplicación han sido los
compuestos de matriz termoplástica con refuerzo de aserrín de madera. Y el sector con
mayores aplicaciones es la industria automotriz con paneles de puertas, tableros de
instrumentos y otros accesorios internos propios de un automóvil; en donde se
demuestra un especial interés por fibras más largas y flexibles a las de la madera como
lo son las fibras de kenaf, cañamo, sisal y yute, procedentes de países como India y
Brasil, y estudiadas en estos al igual que en Estados Unidos y otros países en Europa
occidental que constituyen los grandes consumidores de este material. Sin embargo
existen también otras aplicaciones importantes como mobiliarios para hogares y
parques, puertas, cercas e instalaciones portuarias.
Recientemente, los termoplásticos reforzados con fibras ligno-celulósicos naturales han
desarrollado un nuevo concepto de materiales compuestos (composites) que ha
cambiado la visión de las fibras como simples rellenos por la de refuerzos que
contribuyen a la mejora de las propiedades de la matriz. Esto despierta un creciente
interés en los campos de la investigación y de la industria debido a la gran
disponibilidad de material y ventajas ambientales del producto final1. Sin embargo, las
principales razones para la adición de refuerzos ligno-celulósicos a matrices
termoplásticas son la reducción de costos por unidad de masa, mejorar la rigidez del
material y usar materiales de desecho. Algunas ventajas de este tipo de fibras, en este
caso la cascarilla de café, son su bajo precio, baja densidad, alto modulo y fuerza
especifica, no ser un material abrasivo relativamente, la fácil modificación de su
1 Referencia [10]
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superficie y su habilidad de renovación como recurso natural2. Pese a estas excelentes
ventajas, el uso de fibras naturales también implica ciertos problemas en el desarrollo de
materiales compuestos como tener que ser procesados a temperaturas mucho menores,
ser altamente higroscópicas y presentar incompatibilidad con los polímeros por su
naturaleza hidrofílica, lo cual conlleva a una mala dispersión y consecuentemente a la
obtención de propiedades mecánicas poco satisfactorias.
Determinar propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión, el modulo de
young, la elongación a la ruptura y la resistencia al impacto, han sido el principal
trabajo llevado a cabo durante los últimos años, pero de igual forma se ha creado la
necesidad de prestar atención a la capacidad de carga de este material ya que este puede
ser dispuesto para aplicaciones de larga duración. A partir de este punto el desempeño
frente al fenómeno creep debe ser bien conocido ya que al igual que otro material, estos
compuestos pueden experimentar alineamientos moleculares altamente sensible y
dependiente de las condiciones en las que se encuentren como la humedad y la
temperatura, al ser usados durante largos periodos de servicio. Las propiedades de
visco-elasticidad bien sea la relajación de esfuerzos ó el creep al igual que las
propiedades mecánicas convencionales anteriormente nombradas, también dependen
del tipo de fibra, la orientación y dispersión de la misma y del tamaño y contenido.
Con base en este precedente y con el animo de apoyar los programas de reciclaje de
resinas poliméricas y reemplazar las fibras de madera para reducir la deforestación, el
centro de investigación en procesamiento de polímeros de la Universidad de los Andes
(CIPP) ha incursionado y se encuentra trabajando en el campo de las maderas plásticas
desde hace cinco años aproximadamente; creando, evaluando e implementado una
nueva alternativa basada en material natural nativo como tallos de flores (rosa y clavel)
y cascarilla de café mediante la caracterización mecánica de nuevos materiales llevadas
a cabo en proyectos por Rodríguez 2000, Correa 2002, García 2002 y Bejarano 2004
entre otros, para los que cambian la matriz y el refuerzo.
Con el fin de seguir adelante con este proceso investigativo, el presente documento tiene
como principal enfoque exponer el estudio y análisis del efecto de la temperatura en el
2 Referencia [11]
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comportamiento visco-elástico del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla
de café. Este documento se encuentra divido en cinco secciones en las que se detallaran
las etapas correspondientes al avance lógico de este proyecto que se ordenaran de la
siguiente manera. En el primer capitulo se encontrara tanto una breve reseña histórica
como una descripción teórica de este tipo de material al igual que otros aspectos
importantes relacionados a este. En el segundo capitulo se encontrará todo lo
relacionado al diseño experimental de este proyecto, encontrando de manera puntual
que factores fueron elegidos como aquellos que hipotéticamente inciden en la respuesta
mecánica del material, cuales fueron los niveles de evaluación y cual es la variable de
respuesta para el análisis de varianza y porque fue escogida como tal. En el tercer
capitulo se encuentran descritas cada una de las etapas de preparación del material, los
materiales utilizados, las variables de estudio y los ensayos realizados. En el capitulo
cuatro se encuentra el análisis estadístico de los resultados arrojados por las pruebas
mecánicas. Y finalmente, en el capitulo cinco se encuentra consignada la evaluación
fenomenológica de los resultados, es decir, se encuentra una explicación del porque de
lo ocurrido en los resultados de los ensayos mecánicos respaldado con el previo análisis
estadístico de la sección anterior.
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OBJETIVOS
Objetivo general
Analizar el efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas del polietileno de
alta densidad reforzado con cisco de café y determinar las interacciones de esta variable
con otras variables de proceso como el porcentaje de refuerzo y el tamaño de partícula
de refuerzo.
Objetivos específicos
1. Realizar una revisión bibliográfica respecto a la caracterización química y física
de la matriz y el refuerzo, y de los métodos de ensayo para el análisis de los
cambios en las propiedades del material debido a la variación de los parámetros
evaluados.
2. Elaborar un protocolo experimental de procedimientos para todo el proceso, en
el que se incluya el diseño del experimento, la formulación del compuesto y los
ensayos mecánicos para la evaluación final de las propiedades del material
3. Recopilar los datos más importantes de la etapa experimental y la información
relevante al tema que permita evidenciar la posible relación de la temperatura
con el comportamiento de otras variables evaluadas.
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4. Determinar las posibles causas de interacción entre la temperatura del sistema y
las demás variables evaluadas que generen cambios a las propiedades del
material por medio de una análisis estadístico
5. Hacer una evaluación fenomenológica de la interacción de las variables
trabajadas.
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1. MARCO TEORICO
Dentro de la gran cantidad de tipos de fibras que se han venido utilizando como
refuerzos ligno-celulósico desde hace 23 años aproximadamente, la madera como
aserrín ha sido el material celulósico que más recepción a tenido dentro de los
procesos productivos de las maderas plásticas, diferenciándose como fibra o aserrín
por la relación de aspecto (longitud a diámetro), siendo fibra si su relación es de
10:1 ó 20:1 y aserrín si es de 4:1 ó 1:1; Y cuyo inicio se remonta a una mezcla de
50% de aserrín de madera y 50% de polipropileno llevada a cabo por ICMA San
Giorgio, un importante fabricante de equipos de extrusión italiano, en una patente
conocida como woodstock3. El producto de dicho proceso era una lámina
proveniente de una extrusora de doble tornillo contrarotatorio, que posteriormente
era transformada en accesorios para automóviles. Los derechos de esta patente
fueron adquiridos inicialmente por el proveedor de resinas belga Solvag S.A. y
luego por la compañía americana Woodstock de Lear Corporation. No obstante al
propósito inicial de este producto, las aplicaciones del mismo se expandieron a
productos como perfiles para ventanas u otros perfiles espumados y vigas para
muelles o cercado, aumentando su intervención en mercados como el de la
construcción y el inmobiliario en un 10% anual.
Sin embargo con el transcurso del tiempo se ha entendido que la madera no es la
única fibra natural útil como refuerzo, por el contrario, cualquier fibra natural con
alto contenido de celulosa, la cual aporta la rigidez sin aumentar la densidad, puede
ser un refuerzo ligno-celulósico potencial, con base en lo que ya se han desarrollado
productos reforzados con kenaf, coco, platano, sisal y bambú que son fibras
naturales nativas de países sudamericanos o asiáticos.
De igual forma la fabricación de productos reforzados también esta acompañada por
varios tipos de resinas comerciales que pueden ser utilizadas post-consumo, es decir
recicladas a partir de material comercial presente como envases o cajas plásticas.
Luego los polímeros de mayor uso son polietileno (mejor si es de alta densidad
3Referencia[18]
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cuando es reciclado), polipropileno, PVC y en una menor proporción poliestireno y
ABS.
1.1. MATERIAL COMPUESTO
Un material compuesto, es un material multifasico cuyo propósito al ser elaborado
es exhibir en gran medida las propiedades de sus fases constituyentes a partir del
principio de acción combinada4. Por lo general, las maderas plásticas están
compuestas por una resina termoplástica como matriz y una fibra natural como fase
dispersa.
En el desarrollo de estos materiales compuestos los factores que pueden variar para
conseguir las propiedades deseadas entre otras son:
• La tenacidad de la matriz
• La relación de aspecto para la fase dispersa
• La interfase para los componentes
• La dispersión de las partículas de refuerzo
• La orientación de las partículas de refuerzo
• El tamaño de las partículas de refuerzo
• El porcentaje de las partículas de refuerzo
Mediante una correcta selección de la materia prima es posible optimizar cada uno
de los aspectos nombrados. Luego mejorar la interfase, implica la elección de
materiales compatibles que se atraigan por interacciones intermoleculares ó el uso
de agentes de acople, igualmente útiles en la dispersión de las partículas de refuerzo
dentro de un proceso seleccionado del cual depende específicamente la orientación.
4 Referencia [3]
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1.2. MATRIZ
Una resina termoplastica es una macromolécula de alto peso molecular producto de
un proceso de transformación aplicado a productos naturales o materias primas
derivadas del petróleo, gas natural o carbón conocidos como polímero sintético.
Estos polímeros se pueden clasificar en dos grupos: termoplásticos y termoestables,
los cuales difieren en su comportamiento respecto a la temperatura, ya que los
primeros pueden ser sometidos a ciclos térmicos en los que con el aumento de la
temperatura se ablandan y fluyen, tomando forma sólida si se disminuye la
temperatura, lo que se puede repetir hasta la degradación del material a diferencia de
los termoestables en donde el material luego del primer ciclo de calentamiento
presenta un endurecimiento que impide una posterior fundición debido a una
reacción química.
1.2.1 Polietileno de alta densidad
Es un termoplástico de cadena lineal menos ramificado que el polietileno de baja
densidad por lo cual posee una estructura compacta con una densidad mayor. Es un
material opaco, cristalino, impermeable y más resistente térmica y químicamente
que el polietileno de baja densidad. El proceso de polimerización del polietileno de
alta densidad se lleva a cabo a baja presión y con catalizadores en suspensión. La
presión en la fabricación del polietileno de alta densidad está por debajo de 14 MPa,
y en muchos casos hasta por debajo de 7 MPa, existiendo tres procesos comerciales
importantes usados en la polimerización que son: La polimerización en solución, la
polimerización en suspensión y la polimerización en masa.5
El polietileno es el polímero más popular debido a su bajo costo y se puede utilizar
en múltiples procesos como el de inyección, el de soplado, el de extrusión y el de
rotomoldeado. Este compuesto presenta la ventaja de tener temperaturas de
transición vítrea y de fusión bajas, llegando a ser una excelente característica para
las temperaturas de procesamiento para fibras naturales cuya temperatura de
5 Referencia [7]
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degradación es menor a los 200 grados Celsius, dependiendo del contenido de
celulosa.
Por otra parte, debido a que en los polímeros cristalinos y semi-cristalino existen por
lo menos tres procesos de relajación dentro de un rango establecido de temperatura
que esta entre -196 ºC (hace referencia a la temperatura en la que el nitrógeno se
encuentra liquido) y el punto de fusión del material. SiroTkin resume diferentes
teorías del mecanismo de relajación del polietileno de alta densidad y determina que
hay tres transiciones importantes sobre este intervalo de temperatura para este
material6. La primera esta relacionada con el corto rango de movimiento en la fase
amorfa conocida como la transición γ. La segunda esta asociada al roce intralaminar,
y se piensa que es netamente dependiente de la morfología superficial de los
pliegues laminares que se conoce como la transición β. Y la ultima se relaciona con
el roce intralaminar dentro de una fase cristalina siendo dependiente únicamente del
espesor de las laminas y no de la morfología superficial de las mismas, es llamada la
transición α7.
Sin embargo la temperatura de transición vítrea del polietileno de alta densidad ha
sido punto de controversia, ya que esta ha sido asignada a tres regiones de
temperatura diferentes, -33º C, -83 ºC y -123 ºC, de las que Turi8 sugiere que -33 ºC
ha alcanzado credibilidad basado en evidencia reciente. Además se ha sugerido que
la relajación de puntos ramificados en el polietileno de alta densidad esta
relacionada con la transición β al tener como referencia al polietileno de baja
densidad que es un polímero ramificado en el que un pico en la transición β es
claramente identificado, por ende esta relajación es usualmente atribuida al
movimientos segmentarios en la fase no cristalina.
1.3. REFUERZO
El refuerzo o fase dispersa, es seleccionado de tal forma que este cumpla con las
siguientes características: homogeneidad en la fibra, tener propiedades retardantes a 6 Referencia [17] 7 Referencia [11] 8 Referencia [11]
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18
la llama, ser resistente a la humedad y tener un alto contenido de celulosa en
comparación a otros componentes como la lignina o las cenizas.
A partir de este punto, la cascarilla de café es una buena elección como subproducto
del procesamiento del café, el cual luego de de pasar por la despulpadora donde son
removidas las envolturas exteriores compuestas de proteínas y sustancias pépticas,
es llevado a un proceso de fermentación seguido por un lavado y secado con aire,
después del cual queda una sola envoltura conocida como cascarilla o cisco de café
la cual es separada de la almendra por una trilladora o molino de cuchillas.
La composición química del cisco de café 9 se presenta a continuación:
Tabla 1. Composición Química del Cisco de café
1.4. AGENTE DE ACOPLE
Ya que factores como la interfase entre los componentes y la dispersión de partícula
pueden variar para mejorar las propiedades del material compuesto, debido a la
mejor distribución de carga y un aprovechamiento más eficaz de la rigidez aportada
por la fibra natural, por lo general es necesario utilizar un agente de acople, el cual
permite mejorar la interacción matriz refuerzo debido a que une dos materiales
normalmente incompatibles debido a la naturaleza hidrofóbica de los polímeros y a
que los puentes de hidrogeno tienden a mantener las fibras ligno-celulosicas juntas
afectando la correcta dispersión y adhesión de estas a una matriz no polar. 9 Referencia [18]
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19
Luego con base a lo anteriormente expuesto, durante este proyecto fue usado
anhídrido maléico como compatibilizador o agente de acople, el cual une la fibra a
la matriz a través de la esterificación de los grupos hidroxilo de la celulosa con el
anhídrido maléico u otro copolímero comercial con contenido de anhídrido maléico
como el polietileno maleato que exhibe la misma respuesta, acoplándose
posteriormente a la resina al ser totalmente compatible10.
El anhídrido maléico ó anhídrido cis-butenodioico (C4H2O3) es usado para la
modificación de resinas poliméricas por medio de su adición mediante reacción
química en una extrusión reactiva, la cual una vez concluye, lleva al nuevo
compuesto a adoptar el nombre de la resina original más la terminación separada
maleato, como lo hace por ejemplo el polietileno maleato.
1.5. CREEP
El fenómeno Creep es la deformación progresiva de un material cuando este es
sometido a una carga constante durante algún periodo de tiempo11. Este se encuentra
compuesto básicamente por cuatro etapas; primero, la aparición de una deformación
instantánea, luego la rápida disminución de la razón de deformación con el tiempo,
después la obtención de un estado estable en la razón de deformación y finalmente
el drástico aumento en la razón de deformación en el momento en que se presenta la
ruptura del material12.
Por otra parte dentro de la evaluación del fenómeno de creep, el ensayo de creep de
ruptura indica la máxima capacidad o resistencia de un material a una carga
constante, medida como el tiempo estimado para la ruptura del material.
10 Referencia [15] 11 Referencia [5] 12 Referencia [9]
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2. DISEÑO EXPERIMENTAL
Por diseño experimental es posible entender el estudio que se lleva a cabo para
determinar el efecto de cada factor, entendiendo como efecto la alteración en la
respuesta, es decir la variable evaluada, al cambiar un nivel en el factor o parámetro
evaluado.
Luego la manera más simple de llevar a cabo el análisis del proyecto a partir de los
efectos provenientes de la cantidad de factores y niveles que se están manejando, es
realizando un análisis factorial de efectos completo, dando por hecho que en cada
ensayo ó replica completa de la etapa experimental, se investigan todas las
combinaciones posibles de los niveles de los factores, determinando la interacción
entre los mismos13. El diseño factorial presenta ventajas sobre otros modelos, en
especial con experimentos con mas de un factor como ocurre en este caso, ya que se
evita llegar a conclusiones incorrectas acerca de la interacción de los factor
El diseño factorial para tres factores es el siguiente14
Para el cual se prueban las siguientes hipótesis que evidenciaran o no la presencia de
efectos significativos por parte de los factores y cual sea su interacción.
13 Referencia [13] 14 Referencia [13]
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21
Sin embargo el uso de este modelo para el análisis de los datos balanceados por
medio del análisis de varianza y de comparación de medias de las respuesta con el
modelo ANOVA, requiere de la determinación de ciertos supuestos dentro de los
cuales se encuentran y asumen el de varianzas constantes para cada factor, el de
normalidad residual y el de normalidad muestral.
2.1 FACTORES Y NIVELES
Para cumplir con el objetivo de este proyecto, se ha realizado un diseño factorial de
tres factores con efectos para el análisis del comportamiento visco-elástico del
polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café.
Durante la experimentación en este proyecto se establecieron tres factores para los
que se manejaron tres, tres y dos niveles respectivamente, que permiten determinar
18 puntos de observación que pueden reconocerse con claridad en la ilustración 1
para la cual se determina que la temperatura, al igual que lo son las variables de
proceso tamaño de partícula y cantidad de refuerzo son los factores de
experimentación. Los últimos factores fueron escogidos antes que el tipo de agente
de acople, porque en investigaciones anteriores15 se ha determinado que aquel que
produce mejores propiedades es el anhídrido maléico, en forma de polietileno
maleato ya que mejora la interfase entre los componentes y aumenta la dispersión.
Ilustración 1. Puntos de observación
15 Referencia [17]
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2.1.1 Temperatura
Los dos niveles para el análisis del efecto de la temperatura sobre la respuesta del
sistema se escogieron de tal forma que el rango de variación de este factor no fuese
drástico, debido a que el interés del proyecto se encuentra centrado en tomar al
material como un producto final cuyas aplicaciones puedan ser dispuesta ya sea en
una zona fría como Bogotá ó Tunja, ó en una zona caliente como cualquiera de las
ciudades de la costa. Por esto se decidió que el primer nivel para este factor será la
temperatura ambiente de Bogotá y el segundo será 50 ºC.
2.1.2 Contenido de refuerzo
Los niveles para esta variable de proceso fueron seleccionadas tras ser justificadas
con patentes en las que se recomienda para la cantidad de refuerzo manejar
concentraciones que oscilen entre el 40% y 60% (porcentaje en peso) según
AERT16, ó concentraciones que se encuentren entre 40% y 65% según TREX 17, ya
que son los niveles más relevantes ya que maximizan el comportamiento del
material evaluado desde el punto de vista de las propiedades mecánicas
convencionales para un material compuesto ligno-celulósico.
2.1.3 Tamaño de partícula
De igual forma que para el contenido de refuerzo, los niveles para el tamaño de
partícula que se sugieren trabajar según la justificación patentada de TREX18, deben
ser elegidos a partir de partículas que pasen a través de una malla 30 por lo menos,
clasificada según la norma ASTM E11 “standar specification for wire cloth and
sieves for testing purpouses”. Luego respectivamente fueron escogidos los
siguientes niveles para el tamaño de partícula: Partículas retenidas entre el tamiz
malla 30 y el tamiz malla 40, partículas retenidas entre el tamiz malla 40 y malla 50
y partículas que pasen por el tamiz malla 50. 16 Referencia [20] 17 Referencia [21] 18 Referencia [21]
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En la ilustración 2 se encuentra de manera resumida los niveles y factores trabajados
durante la experimentación.
2.1.4 Réplicas
Para el desarrollo de esta investigación y con el fin de dar una mayor robustez a la a
la variable respuesta teniendo en cuenta la magnitud del error sistemático se llevo
a cabo una réplica para cada punto de observación, la cual fue desarrollada desde la
separación de partículas por tamaño.
2.2. VARIABLE DE RESPUESTA
Partiendo de que la intención de este proyecto es analizar el comportamiento visco-
elástico del polietileno de alta densidad reforzado con cascarilla de café, el ensayo
mecánico que se adelanto fue el de Creep bajo la estandarización de la norma
ASTM D 2990 “estándar test methods for tensile, compresive and flexural creep and
creep-rupture of plastics”, a partir de la cual se determina que el tiempo en el que se
DISEÑO EXPERIMENTAL
TEMPERATURA % DE REFUERZO TAMAÑO
T ambiente
T 50ºC
40%
50%
60%
Partículas mallas 30-40
Partículas mallas 40-50
Partículas mallas 50-
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presenta la ruptura del material cuando este se encuentra sometido a una carga
constante es la variable de interés para cada nivel de los factores previamente
establecidos al no existir una deformación apreciable.
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3. PROTOCOLO EXPERIMENTAL
En este capitulo se procederá a explicar, que materiales fueron utilizados durante la
experimentación y cual fue el procedimiento experimental seguido durante la
investigación.
3.1. MATERIALES
Como matriz termoplástica para este proyecto se uso polietileno de alta densidad, el
cual es un copolímero de peso molecular medio y elevada rigidez que enseña una
gran resistencia al impacto y a fisuras por esfuerzos ambientales debido a su
estructura molecular. Sus propiedades se encuentran indexadas en la tabla 2 las
cuales son suministradas por el proveedor del producto, Química Comercial Andina
S. A (referencia GF 4950)
Tabla 2. Propiedades mecánicas del PEAD
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EL anhídrido maléico utilizado como agente de acople ó compatibilizador fue
polietileno maleato, suministrado por Phenix plastics en el lote 2010 con 10 Lbs de
peso neto como presentación. Este polietileno maleato es un polietileno lineal con
una adición del 8% en peso de anhídrido maléico, el cual el fabricante recomienda
usar en una proporción del 10% al 12.5% en peso sobre la composición total de la
mezcla.
Finalmente como fibra de refuerzo se utilizo cascarilla de café del cual se sabe que
tienes las siguientes características: densidad de granel según norma ASTM E873
“standar test method for bulk density of densifyied particulate fuels” de 0.329 gr/cc
y porcentaje de humedad 10% en peso.segun norma ASTM E871 “Standard test
method for moisture analysis of particulated woodfuels”19
Ilustración 3. Cisco de café
3.2. PREPARACION DEL MATERIAL COMPUESTO
El desarrollo del material compuesto matriz-refuerzo y ensayos mecánicos involucra
10 etapas que tienen inicio con la reducción de tamaño mediante un molino casero.
3.2.1. Tamizado
19 Muñoz. Juan Carlos. “Desarrollo de un material compuesto con refuerzo ligno-celulósico: Matriz polipropileno, refuerzo: cisco de café”. Tesis no publicada. Universidad de los Andes. 2002
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Una vez se ha reducido el tamaño de la cascarilla, se procede a realizar una
separación mediante un proceso de tamizado en el agitador Ro-Tap model B testing
sieve shaker de la ilustración 4, separando el cisco en los tres tamaños
correspondientes a los niveles establecidos para el factor de tamaño de partícula.
Ilustración 4. Agitador Ro-Tap
3.2.2. Secado
Debido a ser un material altamente higroscópico para el que la tasa de absorción de
humedad es muy alta y puede cambiar de 1% a 2% en menos de dos minutos, una
vez se tiene el cisco procesado que será utilizado se procede necesariamente a una
etapa de secado en un horno de calentamiento conectivo (horno BLUE M,
ilustración 5) a 103 ºC por unas 20 horas, de tal forma que al final del ciclo o
cuando el material este presto a ser mezclado tenga un porcentaje de humedad
menor al 1%, garantizando que en el mezclado no habrán inconvenientes en el
acople entre la matriz y refuerzo debido a la liberación de vapores, además de mal
formaciones en el producto terminado como burbujas en la superficie de las piezas.
Ilustración 5. Horno BLUE M
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3.2.3. Mezclado
Habiendo concluido con el proceso de secado de la cascarilla de café, se realiza la
mezcla de los componentes en el reómetro de torque Brabender plasticorder PL 331
de la ilustración 6, con un mezclador interno W50H y motor DC de 4.5 Hp que
permite el suministro de velocidades de 5 a 120 min -1 y torques entre 0 y 200 Nm
censados por un dinamómetro interno.
Las mezclas fueron hechas por lotes de 40 gramos, correspondientes a la capacidad
del equipo, en las proporciones contenidas en la tabla 3, de tal forma que antes de
depositar los componentes a mezclar en el Brabender se premezclaban en un
recipiente para luego si ser introducidos en el mezclador a 175 ºC por 5 minutos,
tiempo para el cual el torque se estabiliza indicando que la mezcla es homogénea.
Inicialmente el proceso de mezclado se lleva a una velocidad de 20 rpm, pero una
ves la matriz alcanza su punto de plastificación se lleva a 40 rpm.
Ilustración 6. Reómetro de torque Brabender plasticorder
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Tabla 3. Formulaciones
1.1.1 MOLIENDA
Luego de que el material es mezclado completamente se lleva a cabo una nueva
molienda en el molino de muelas Condux Cs-150 de la ilustración 7, por unos 15 ó
20 minutos con el fin de granularlo y dejarlo apto como en la ilustración 8, para el
proceso de moldeado.
Ilustración 7. Molino de muelas Condux Cs-150
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Ilustración 8. Mezcla granulada
3.2.4. Moldeo de probetas
A partir del material molido se hacen las láminas para las probetas de los ensayos
mecánicos por compresión de acuerdo a la norma ASTM D4703 “Standard test
method for compresion molding thermoplastics materials into test specimens
plaques or sheets”, en la prensa DAKE de la ilustración 9, en la cual se mantuvieron
las siguientes condiciones de moldeo
• Temperatura de moldeo: 175 ºC
• Tiempo de fundido: 10 minutos
• Tiempo de presión sostenida: 1 minuto
• Carga: 60000 lbs
• Temperatura de retiro: 37ºC
• Flujo de agua a placas: 10 gal/min
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Ilustración 9. Prensa DAKE
3.2.5. Troquelado
Las láminas rectangulares de 3 mm espesor de la ilustración 10 son troqueladas
finalmente para sacar las probetas para el ensayo de creep que tienen 6.5 cm de
longitud, 1.2 cm de longitud de cuello, 2 cm de ancho, 3mm de ancho en el cuello y
por su puesto 3 mm de espesor de la ilustración 12.
Ilustración 10. Lámina de moldeo Ilustración 11. Molde de Troquelado
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Ilustración 12. Probetas para Creep
3.2.6. Acondicionamiento
Una vez la probetas están listas son acondicionadas manteniendo una temperatura y
humedad controlada respectivamente de 23 ºC y 50% de humedad relativa por lo
menos por 40 horas antes de llevar a cabo el ensayo de creep
3.2.7. Pruebas mecánicas
Los ensayos de creep se llevaron a cabo en dos montajes que tienen un espacio total
para de prueba correspondiente a 9 probetas, estos montajes constan de una barra
horizontal de la que cuelgan las probetas por medio de unas mordazas superiores,
las mordazas inferiores son usadas para el aprovisionamiento de la respectiva carga.
Además, estos montajes cuentan con un sistema de cronómetros integrados que
permiten verificar con exactitud el tiempo que haya corrido durante la prueba. Las
pruebas son llevadas a cabo tanto en el laboratorio a temperatura ambiente (15-
20ºC), como en un horno similar a un cuarto frío como el de ilustración 14, para el
cual se mantuvo estable una temperatura de 50 ºC mediante un sistema de control de
temperatura.
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El desarrollo de esta prueba consiste en elegir un numero de cargas simétricas a
partir de la carga de ruptura del material, en este caso tres, para cada punto de
observación las cuales fueron de 7.5 Kg, 9.5 Kg y 12.5 Kg que generan un esfuerzo
respectivo de 8.25 MPa, 10.32 MPa y 12.55 MPa, con las cuales se busca establecer
una curva de tiempo de ruptura contra esfuerzo para cada nivel del factor
temperatura.
Ilustración 13. Montaje a Temperatura ambiente Ilustración 14. Horno para pruebas a 50ºC
Ilustración 15. Termocupla para verificar T del horno Ilustración 16. Montaje al interior del horno
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4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
En este capitulo se discute a cerca del análisis de la significancia de los resultados
obtenidos de la fase de experimentación enlistados en las tablas 4 – 9 de los ensayos
de creep, permitiendo conocer cual es la medida del error maneja durante la
investigación. Tabla 4. Resultados T amb y 8.25 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga de 7,5 Kg aprox contenido tamaño 40% 50% 60% 30-40 208,85 173,5 146,25 40-50 267,3 323,65 431,7 50+ 319,6 420,71 522
Tabla 5. Resultados T amb y 10.32 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga 9,5 Kg aprox contenido tamaño 40% 50% 60% 30-40 188,5 105,45 90,5 40-50 170,2 247,85 253,55 50+ 181,64 247,4 293,8
Tabla 6. Resultados T amb y 12.55 MPa (esfuerzo) (T AMB) tiempo (h) para carga 12,5 Kg aprox contenido tamaño 40% 50% 60% 30-40 11,2 9 1,45 40-50 14,5 21,75 36,2 50+ 20,35 38,9 43,7
Tabla 7. Resultados T 50ºC y 8.25 MPa (esfuerzo) (T 50ºC) tiempo (h) para carga de 7,5 Kg aprox contenido tamaño 40% 50% 60% 30-40 116,9 72,85 78,65 40-50 154,25 248,15 286,65 50+ 222,25 320,95 352,35
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Tabla 8. Resultados T 50ºC y 10.32 MPa (esfuerzo) (T 50ºC) tiempo (h) para carga 9,5 Kg aprox contenido tamaño 40% 50% 60% 30-40 74,25 64,5 42,45 40-50 105,1 142,8 253,55 50+ 96,8 145,1 236,4
Tabla 9. Resultados T 50ºC y 12.55 MPa (esfuerzo)
Como el objetivo del ensayo de creep de ruptura es indicar el límite de capacidad de
carga dentro del contexto de tiempo-dependencia y termo-dependencia, generando
una curva de esfuerzo contra tiempo de ruptura, para la cual el parámetro
independiente es el esfuerzo que esta sujeto a la elección de diferentes cargas (7.5,
9.5 y 12.5 kilogramos en este caso), es necesario separar las respuesta de los
diferentes niveles para los distintos factores en los tres esfuerzos producto de estas
cargas para poder llevar a cabo el análisis de varianza, el cual se desarrollo mediante
el software de estadística Minitab 14, indicando cual es el estado de la variable
error y cuyos resultados se encuentran a continuación.
4.1. ESFUERZO DE 8.25 MPa
Mediante los resultados de las pruebas estadísticas de Kolmogorov Smirnov y de
residuos a los datos obtenidos para este esfuerzo presentados en ilustración 17, se
corroborar la hipótesis de normalidad necesaria, de independencia y homogeneidad
de varianza, ya que como es posible apreciar tanto en las graficas residuales como
en el histograma de la variable de respuesta, respectivamente se muestra un ajuste
de datos a una línea recta y un comportamiento aproximado a una distribución
normal, además el comportamiento de la varianza evaluado respectó a valores
esperados mediante la grafica de residuos contra valores esperados o fitted values
(T 50ºC) tiempo (h) para carga 12,5 Kg aprox (T 50ºC)