anÁlisis de la influencia de la incorporaciÓn de
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ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LA INCORPORACIÓN DE FRAGMENTOS DE ESPUMA DE EVA EN LAS PROPIEDADES DEL PU.
LEYDE JOHANA JIMÉNEZ GRISALES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS DE PRODUCCION PROGRAMA DE INGENIERIA INDUSTRIAL
SANTIAGO DE CALI 2008
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ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LA INCORPORACIÓN DE FRAGMENTOS DE ESPUMA DE EVA EN LAS PROPIEDADES DEL PU.
LEYDE JOHANA JIMÉNEZ GRISALES
Trabajo de Grado para optar al titulo de Ingeniero Industrial
Director JUAN CARLOS OTERO
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS DE PRODUCCION PROGRAMA DE INGENIERIA INDUSTRIAL
SANTIAGO DE CALI 2008
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Nota de aceptación:
Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Industrial.
__________________________________ JUAN CARLOS OTERO
Director
Santiago de Cali, 4 de agosto de 2008
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AGRADECIMIENTOS
Durante toda mi carrera universitaria he conocido a muchas personas, unos pocos han logrado quedar en mi corazón y en mis recuerdos para siempre, ha estas personas, las cuales han demostrado tener un gran corazón, mucha paciencia y me han acompañado durante todo este proceso, hoy quiero con mucho cariño hacer un reconocimiento a todas aquellos que contribuyeron para lograr una satisfactoria culminación de esta tesis de investigación.
Doy gracias a papito Dios por darme un momento más de vida y permitirme tener esta satisfacción tan grande de lograr alcanzar una de las metas que con tanto anhelo y esfuerzo construí.
A mis padres que son la mayor bendición que Dios me ha dado en la vida, les digo gracias, gracias por su apoyo incondicional, por su comprensión y paciencia, pero sobre todo por la gran sabiduría que han tenido para formar esta lindísima familia y esta gran persona y profesional que soy hoy.
Por otra parte nunca alcance a imaginar que en nuestra universidad hubiesen funcionarios tan extraordinarios, seres tan inteligentes y con mucho potencial profesional, dispuestos siempre a ayudarme y con una amabilidad inesperada, por esto y mas hoy simplemente les digo gracias a todos los profesores y personal de los laboratorios.
Por otra parte quiero destacar al hombre y amigo que gracias a su empeño y confianza logro convencerme para realizar una tesis de investigación campo que para mi era completamente desconocido, pero para él todo lo contrario ya que es una de sus grandes pasiones, una de las mejores cosas de trabajar con él es conocer y disfrutar de esa gran persona tan intelectual, tan humano, responsable y definitivamente todo un caballero, mi apreciado director de tesis.
JUAN CARLOS OTERO Especialista en Edumatica y en Proceso de Transformación del Plástico y del Caucho.
A mi asesor de tesis que es un excelente profesional y conocedor del tema, le doy garcías por todo el tiempo dedicado. NESTOR ARTURO PINCAY GORDILLO Ingeniero Mecánico, especialista en Ciencias Térmicas y Equipo Agroindustrial y Maestría en Ingeniería Mecánica.
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CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
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INTRODUCCION
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1. MARCO TEORICO
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1.1 PROPIEDADES MECANICA DE LOS POLÍMEROS
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1.1.1 Deformación elástica
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1.1.2 Deformación plástica y punto de fluencia
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1.2 EFECTO DE ALGUNOS PARAMETROS SOBRE EL COMPORTAMIENTO MECANICO EN TRACCION
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1.2.1 Temperatura y velocidad de deformación
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1.2.2 Peso molecular
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1.2.3 Cristalinidad
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1.3 COPOLIMEROS Y PLASTIFICANTES
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1.4 POLIURETANO (PU)
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1.4.1 Química del poliuretano 21
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1.4.2 Reactividad
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1.5 PROPIEDADES PRINCIPALES DEL PU
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1.5.1 Propiedades mecánicas
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1.5.2 Resistencia a los productos químicos
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1.5.3 Comportamiento ignifugo
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1.5.4 Poder adhesivo
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2. OBJETIVOS
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2.1 OBJETIVO GENERAL
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2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
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3. RESULTADOS OBTENIDOS
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3.1 EFECTO DE LA ADICCIÓN DE EVA AL PU SOBRELA RESISTENCIA A LA TENSION
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3.2 EFECTO DE LA ADICCION DE RESIDUOS DE EVA SOBE LA RIGIDEZ DEL PU A TRACCION
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3.3 INFLUENCIA DE LA ADICCION DE ESPUMA DE EVA SOBRE LA RIGIDEZ Y LA RESISTENCIA A LA COMPRENSION DEL PU
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7
3.4 INFLUENCIA DE LA ADICCION DE EVA SOBRE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL PU
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4. CONCLUSIONES
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BIBLIOGRAFIA 41
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LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Comparación del coeficiente de conductividad térmica entre diferentes materiales
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Tabla 2. Propiedades físicas del PU
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Tabla 3. Conductividad térmica de EVA PU y sus mezclas
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Curvas típicas para ensayos de tracción-deformación
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Figura 2. Estructura química del PU
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Figura 3. Vaciado de los componentes A y B del poliuretano para la preparación de las mezclas
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Figura 4. Placa fundida en PU en mezcla con los residuos de EVA
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Figura 5. Recorte de las probetas para los ensayos de tracción
30
Figura 6. Probetas ensayo con presión
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Figura 7. Molde durante el proceso de espumado, cerrado con prensas en C
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Figura 8. Apariencia externa de la mezcla al 15% desperdicios de EVA el PU
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Figura 9. Probetas tipo hueso de perro, para ensayo de tracción en los porcentajes de 12 y 15% de residuos de EVA incorporados al PU
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Figura 10. Máquina Armfield HT 10 X Heat Transfer Service Unit
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LISTA DE GRAFICAS
Pág.
Gráfica 1. Influencia sobre la resistencia a la tensión de la adicción de residuos de EVA
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Gráfica 2. Influencia sobre el módulo de elasticidad de la adicción de EVA al PU
33
Gráfica 3. Comportamiento de espumas de EVA y de PU puros
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Gráfica 4. Diagrama esfuerzo deformación del PU, el EVA y sus mezclas
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Gráfica 5. Análisis de compresión efectuado al PU, el EVA y sus mezclas
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RESUMEN
La aplicación de los polímeros a nivel industrial ha tenido un crecimiento enorme y de gran diversidad, es un material que ha logrado posicionarse en los mercados dejando a un lado materiales como la madera, el vidrio, aluminio y varios metales, ya que sus propiedades físicas y químicas han mejorado con el tiempo. Entre los muchos polímetros que se encuentran en la industria se analiza el comportamiento del EVA (Etil Vinil Acetato) espumado y del Poliuretano (PU) rígido, materiales con mucha diferencia en cada una de sus propiedades, tanto químicas, mecánicas y térmicas. Para observar claramente el comportamiento de resistencia a la tracción, la resistencia a la compresión y la conductividad térmica de los dos materiales incorporados, se hizo necesario realizar pruebas mecánicas y térmicas. Para las pruebas mecánicas los materiales utilizados para la elaboración de las probetas fueron, el PU puro, EVA puro y cinco mezclas de los dos materiales. Estas mezclas se lograron obtener incorporando diferentes porcentajes (3, 6, 9, 12 y 15%) del desperdicio de EVA rallado a la mezcla de PU. En un diagrama esfuerzo deformación a tracción realizado a cada una de las probetas mencionadas anteriormente, sobresale la mezcla del 15% que tiene un comportamiento mucho mas rígido que el PU puro, esto indica algún nivel de interacción entre los dos materiales, probablemente debido a anclajes mecánicos, mas que a afinidad química. La conductividad térmica analizada en cada uno de los porcentajes de las mezclas 3, 6, 9,12, y 15%, muestran que modifican las propiedades del PU elevándolas desde 0,02 W/m K para el PU puro, hasta 0,069 W/m K para el 3% de adición de EVA,
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INTRODUCCIÓN
Los polímeros derivan su nombre del griego poli, que significa muchos y meros que significa partes o elementos individuales puros, esto significa que son unidades repetitivas. En la actualidad la mayoría de los polímeros son construidos a partir de compuestos químicos sencillos y abundantes, que mediante reacciones apropiadas logran construir las grandes moléculas. Los polímeros son un material de diseño y construcción, en la actualidad compite en la industria con el acero, vidrio, madera, aluminio y muchos otros materiales. El término plástico se refiere a un estado del material y no al material en sí: los polímeros sintéticos habitualmente llamados plásticos, son en realidad materiales sintéticos que pueden alcanzar el estado plástico, esto es cuando el material se encuentra viscoso o fluido, y no tiene propiedades de resistencia a esfuerzos mecánicos. Este estado se alcanza cuando el material en estado sólido se transforma en estado plástico generalmente por calentamiento, y es ideal para los diferentes procesos productivos ya que en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad. El crecimiento rápido e impresionante del plástico a finales de la segunda guerra mundial muestra la acogida en todo el mercado industrial y no industrial como el de la agricultura, militar, de embalaje, minero y otros. Para la industria del calzado el plástico ha sido un material primordial para el uso de las suelas. En el pasado el elemento que caracterizaba el calzado era el corte; la suela quedaba casi escondida debajo de este. Luego la tendencia general del calzado, salvo en algunos casos excepcionales, era acoplar los cortes con suelas prefabricadas.
En el presente observamos que la moda impone diversos estilos de calzado en materiales sintéticos o plásticos (polímeros y Etil Vinil Acetato EVA), ofreciendo al mercado un calzado igual o más cómodo, confortable y sobre todo más liviano, con mayores posibilidades de diseño.
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En cuanto a la materia prima utilizada podemos decir que cada material tiene características muy precisas que responden a exigencias determinadas, esa es la razón por la que ha aumentado la gama de materiales usados y también sus combinaciones, entre los cuales tenemos CUERO, Policloruro de Vinilo (PVC), Poliuretano termoplástico (TPU), Poliuretano (PUR), CAUCHO, Etil Vinil Acetato (EVA). Entre las materias primas más livianas utilizadas para la manufactura de calzado se encuentra el poliuretano (PU) que es el material liviano por excelencia para la industria del calzado en general y el EVA inyectado, que es el otro material liviano por excelencia, gracias a la incorporación de un aditivo espumante. No se ha desarrollado todavía tanto como el poliuretano, pero representa una alternativa válida y complementaria, por el momento se han mejorado sus propiedades para la producción de sandalias y suelas para fresar. No se puede utilizar en la inyección directa en moldes abiertos, por que el material se expande fuera del molde. Los residuos generados después de la inyección son empacados en bolsas de papel o en recipientes plásticos, se despachan en el carro de la basura de las empresas públicas, y son llevados a los rellenos para ser tratados como un desecho y sin ninguna otra aplicación de reciclado, ni de reutilización.
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1. MARCO TEORICO
1.1 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS POLIMEROS
El estudio de las propiedades mecánicas se refiere a la respuesta de un cuerpo cuando se le somete a una fuerza externa, la cual genera relaciones del tipo tensorial con la deformación que sufre este material (en general validas para la zona elástica).
El ensayo de tracción en una dimensión, entrega la mayoría de los datos relevantes para un primer estudio mecánico de materiales. Este ensayo consiste en someter al material (moldeado en una forma estandarizada llamada probeta) a una velocidad de deformación constante, y se mede la fuerza necesaria para cada deformación, esto se realiza generalmente hasta que el material se fractura. El resultado es una curva donde en el eje de las abscisas se muestra la deformación del material y en el eje de las ordenadas la tensión requerida.
Es importante señalar que para independizarse de las dimensiones particulares de cada probeta, en vez de trabajar con la fuerza (F) se utiliza la tensión o carga (en ingles “stress” o “load”) la cual se define como la fuerza aplicada dividido por el área transversal a la deformación (A):
Generalmente es mucho más fácil trabajar A(t) sólo con el área inicial ya que se evita el estar midiendo constantemente las dimensiones de las probetas, y en ese caso a la tensión se le denomina nominal o de ingeniería.
Cabe señalar que, en general, es una muy buena aproximación el suponer que el área de la probeta es constante en la zona elástica. Con la deformación (en ingles
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“strain” o “extensión”) sucede algo similar y se trabaja generalmente con la deformación nominal o de ingeniería:
lol
lolol ∆=−=ε
Donde lo se refiere al largo inicial de la muestra; sin embargo también existe una definición más precisa, que se denomina deformación verdadera:
101
1
10
ln== ∫ ldlε
Una de las grandes dificultades que presentan los polímeros desde el punto de vista mecánico, es la gran dependencia que tienen sus propiedades con la temperatura y la velocidad de deformación, lo anterior debido a su comportamiento visco elástico, que en primera aproximación es producto de los altos tiempos de relajación de los procesos microscópicos, debido al alto peso molecular de ellos. La figura 1 muestra los diferentes tipos de comportamiento de materiales poliméricos con lo que se puede encontrar, los cuales además se pueden tener para un mismo material sólo modificando la temperatura del ensayo.
Figura 1. Curvas típicas para ensayos de tracción-deformación
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Figura 1. Curcas típicas para ensayos de tracción-deformación: a) fractura frágil; b) fractura dúctil; c) formación de un cuello (punto de fluencia) y “cold-drawing” y d) deformación homogénea (comportamiento tipo goma).
1.1.1 Deformación elástica. Empecemos con algunas definiciones; a bajas deformaciones se dice que el material sufre una deformación elástica (curvas a, b y c en grafico 1), término que manifiesta un proceso reversible, o sea el material almacena energía, por lo que cuando se cesa la fuerza externa, el material en esa zona es capaz de volver a su estado (o longitud) inicial, “expulsando” la energía acumulada. En general esta zona elástica coincide con la zona lineal de la curva de tracción deformación, por lo que se emplea la siguiente relación (análoga a la ley de Hooke), valida sólo para la zona elástica-lineal:
Donde los sub-índices indican la dirección del ensayo. La constante E se denomina Módulo de Elasticidad o de Young, y de la expresión queda claro su significado: es la constante que relaciona, en la zona elástica-lineal, la tensión con la deformación o la pendiente de la zona recta del diagrama tensión-deformación.
El modulo, también se define como la pendiente cuando el material sufre un porcentaje de deformación dado, por ejemplo 10%.
Un término muy utilizado en ingeniería es el de rigidez, el cual se relaciona con la “dificultad” que se tiene para deformar una muestra; en nuestro caso un material rígido se referirá a uno con alto Módulo de Elasticidad.
La figura 1 (b) muestra la típica curva para un material elástomerico (comportamiento tipo caucho), es decir el material sufre altas deformaciones del tipo elásticas (para un material ideal seria en toda la curva de tracción deformación). Si decimos que el material sufre una deformación elástica en casi toda la curva y vemos la forma de la curva (d) podemos concluir que el material sufre una deformación del tipo elástico no lineal.
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1.1.2 Deformación plástica y punto de fluencia . La deformación plástica se puede definir como aquel proceso donde producto de la deformación del sistema, pierde energía, es decir parte de la energía que se le entrega al material para ser deformado no se recupera, por lo que el material sufre una deformación permanente. Es importante señalar que cuando se llega a esta zona de deformación plástica y al material se le cesa la fuerza externa, existirá una recuperación, que no será total, la cual está asociada a la parte elástica de la deformación.
El punto de transición, es decir el límite entre los procesos elásticos y los plásticos, se denomina punto de fluencia (“yield point”) y queda caracterizado por una tensión y deformación particular denominados de fluencia. En la Figura 1 este punto está caracterizado por el máximo que aparece en esa curva antes de caer el valor de la tensión, en todo caso, cuando no aparece este máximo es recurrente tomar la intersección de la recta asociada con la zona elástica con la recta de la zona plástica.
1.2 EFECTO DE ALGUNOS PARÁMETROS SOBRE EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO EN TRACCIÓN
A continuación se presentara un breve repaso del efecto de los principales parámetros sobre algunas propiedades mecánicas definidas anteriormente en el caso de polímeros.
1.2.1 Temperatura y velocidad de deformación . Todas las curvas mostradas en la Figura 1, pueden ser obtenidas en un sólo tipo de polímero, cambiando sólo la temperatura en un amplio rango.
La elongación o deformación a la ruptura es muy pequeña a bajas temperaturas (por debajo de la Tg∗), e incluso el material no presenta fluencia, por lo que es muy frágil. A medida que se va incrementando la temperatura la deformación a la ruptura aumenta y aparece la fluencia.
∗ Tg: Temperatura de transición vítrea
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La elongación a la ruptura incrementa enormemente, aunque vuelve a descender cuando el material es suave, por sobre la Tg o cercano a Tm∗∗. La tensión de fluencia disminuye en la medida que aumenta la temperatura.
Por otro lado, la deformación de fluencia generalmente decrece con un incremento en la temperatura para materiales amorfos, aunque es posible encontrar el efecto opuesto en materiales semicristalinos.
El módulo, por otro lado, tiende a disminuir con el aumento de la temperatura. Aunque no es siempre aplicable, si pensamos en la superposición tiempo temperatura para materiales visco elásticos, podemos darnos una pequeña idea del efecto de la velocidad de deformación: cuando aumenta la velocidad el módulo y la fluencia aumenta, pero la elongación a la ruptura disminuye. Para materiales rígidos la velocidad afecta muy poco a las propiedades mecánicas, pero para un material dúctil (que tiene deformación plástica) el efecto puede ser importante para muchas décadas de cambio.
1.2.2 Peso Molecular . Polímeros de muy bajo peso molecular son líquidos viscosos, si la Tg está por debajo de la temperatura ambiente, por lo que a medida que aumenta el peso molecular, este se va comportar como un caucho. Polímeros de muy bajo peso molecular pero que tienen la Tg por encima de la temperatura ambiente, son extremadamente frágiles, hasta que logran alcanzar un peso molecular específico de tal manera que logran soportar mayor carga.
En general los finales de las cadenas actúan como imperfecciones, por lo que modifican sustancialmente las propiedades de resistencia, sin embargo no cambian el módulo. Recordemos que polímeros de bajo peso molecular tendrán mucha mayor cantidad de finales de cadena, si se compara con un material de alto peso molecular. Por otro lado, se ha reportado que los enmarañamientos, o entrecruzamientos físicos, son de mucha importancia en las propiedades mecánicas, ya que existe evidencia de que la viscosidad del polímero es una variable a considerar.
Las cadenas de bajo peso molecular tienden a ubicarse en las fronteras entre esferulitas, además de disminuir la cantidad de cadenas enlazantes (o “tie chain”),
∗∗ Tm: Temperatura de fusión
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por lo que tienden a comportarse de manera frágil. Las moléculas enlazantes se pueden definir como aquellas cadenas que en una primera parte de ella participa en un cristal, una zona intermedia de ella está en una zona amorfa, pero además posee una tercera parte que está nuevamente insertada en un cristal, de ahí su nombre, pues una sola cadena une dos cristales.
Cadenas de bajo peso molecular, forman cristales más “ordenados” o “perfectos”, tenderán a formar una menor cantidad de estas cadenas enlazantes. Las “tie chain” tienen la característica de que son muy buenas para transmitir y propagar tensiones, producto de su unión a dos o más cristales, por lo que polímeros con una gran cantidad estas moléculas tendrán una fractura más dúctil, puesto que se dificulta la concentración de tensiones en un sólo punto de la probeta. Así, polímeros de bajo peso molecular y poca cantidad de cadenas enlazantes tendrán un comportamiento frágil producto de que existirán zonas de alta concentración donde se producirá la fractura.
No olvidemos también que existe una relación entre el peso molecular y la cristalinidad del polímero, por lo que habría otra manera indirecta para cambiar las propiedades mecánicas.
1.2.3 Cristalinidad. Los cristalitos a temperaturas por debajo de la Tg tienden a hacer polímeros frágiles, con baja resistencia. Esta fragilidad puede venir por deformación impuesta sobre la fase amorfa de parte de los cristales, o por la presencia de huecos producidos durante el proceso de cristalización, o desde la concentración de tensión producida por lo mismos cristales. Un aumento en la cristalinidad implicara un aumento en el módulo y en la tensión de fluencia, pero traerá consigo una disminución en la elongación de fluencia y de la deformación a la ruptura. Esferulitas muy grandes tendrán una fractura dentro de ellas en forma radial. En general, la fractura sucederá entre las esferulitas donde existen muy pocas moléculas enlazantes y una alta concentración de imperfecciones (como por ejemplo términos de cadenas). Pese a lo anterior hay que notar que polímeros con igual cristalinidad pero cristalizados en diferentes condiciones lleva cambios importantes en sus propiedades mecánicas, producto probablemente a cambios en la morfología (tamaño y perfección de los cristales).
Las esferulitas pequeñas o imperfectas, existirá mayor ductilidad si la Tg está por debajo de la temperatura ambiente, o de ensayo, y existirá una alta probabilidad de un proceso de cold-drawing durante el cual la morfología de las esferulitas es destruido. Se ha mostrado que incluso antes de que el proceso de cold-drawing
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acontezca, existe un complejo proceso de orientación tanto de la fase amorfa como de la cristalina 1.
1.3 COPOLÍMEROS Y PLASTIFICANTES
Brevemente se puede decir que los plastificantes tienen como función la de disminuir la Tg en el polímero, aunque en muchas ocasiones se puede observar un descenso en la cristalinidad. Por otro lado muchos copolímeros tienen la facultad de disminuir la cristalinidad y cambiar la morfología, y a veces cambiar la Tg del polímero resultante, por lo que su efecto se puede deducir de lo comentado anteriormente.
1.4 POLIURETANO (PU)
Otto Bayer consiguió la primera síntesis en 1937 en Alemania. La producción industrial empezó en 1940. Sin embargo y debido a la falta de recursos por la Segunda Guerra Mundial, la producción sólo creció muy lentamente.
El origen del poliuretano se remonta a los comienzos de la Segunda Guerra Mundial cuando se fue primero desarrollado como reemplazo para el caucho. La versatilidad de este nuevo polímero orgánico y su capacidad para sustituir a la escasez de materiales, impulsadas numerosas aplicaciones. Durante la Segunda Guerra Mundial, recubrimientos de poliuretano se utilizaron para la impregnación de papel y la fabricación de gas mostaza resistentes a las prendas de vestir, productos químicos y recubrimientos resistentes a la corrosión para proteger metal, madera y mampostería. Al final de la guerra, se fabrican recubrimientos de poliuretano y se utilizan a escala industrial y podría ser formulado y personalizado para aplicaciones específicas. A mediados-50's, poliuretanos pueden encontrarse en los adhesivos y recubrimientos, elastómeros y espumas rígidas. No fue sino hasta finales de los
1 DONALD R. Askeland. La ciencia e Ingeniería de los materiales. Control de la microestructura y de las propiedades mecánicas de los materiales. México D.F: Grupo Editorial Iberoamérica, 1987. p 85
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50's, se comercializa cómodos acolchado de espumas flexibles. Con el desarrollo a un bajo costo de poliéter poliol o de espumas flexibles, se logro abrir las puertas a la tapicería automotriz y a muchas otras de las aplicaciones que hoy conocemos. Formulaciones, aditivos y las técnicas de tratamiento sigue siendo desarrollado como estructural reforzado y molduras exteriores para automotores y partes de un componente de sistemas.
1.4.1 Química del poliuretano. Las espumas de poliuretano, llevan este nombre debido a que en su estructura química la cadena principal la constituyen enlaces de uretano.
Figura 2. Estructura química del PU
El poliuretano es por lo general la mezcla de dos componentes o sistema bicomponente, el A y el B en una proporción estequiométricamente definida por el químico que diseña la fórmula. Existen además poliuretanos monocomponentes que son usados exclusivamente para la industria de la construcción.
• Componente A En el Poliol que es una mezcla cuidadosamente formulada y balanceada de glicoles, alcoholes de elevado peso molecular. Se encuentran en mezcla con agentes espumantes y otros aditivos tales como aminas, agentes siliconados, agua, propelentes y catalizadores organometálicos que son lo que le dan las características a la espuma final. La apariencia es como miel viscosa y puede tener un fuerte olor amoniacal.
• Componente B El componente B es un Isocianato prepolimerizado (pre-iniciado) con un contenido de función NCO que puede variar desde los 18 al 35% en funcionalidad.
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Algunos son café marrón muy viscosos (3000-5000 cps-Viscosímetro Brookfield) y otros son casi albos y fluidos y son mantenidos en atmósfera seca de nitrógeno. Tienen además propiedades adhesivas muy apreciadas por lo que también sirven de pegamentos para hacer bloques poli-material.
1.4.2 Reactividad. La reactividad se puede observar en una simple inspección visual y está dividida en los siguientes tiempos, medidos en segundos:
• Tiempo de crema: 5 - 15 s. Formación de monómeros y polímeros. • Tiempo de hilo: 30 - 70 s. Estructuración, formación de redes cristalinas. • Tacto Libre: 10 - 50 s después del tiempo de hilo. Formación de piel, finalización de la reacción.
El isocianato y el poliol al mezclarse ocasionan una serie de reacciones químicas que conducen a la producción química de uretanos, poluretanos, alofanatos, ureas modificadas, cianatos prepolimeros etc. en total unas 17 reacciones químicas simultáneas, en que el paquete de catalizadores hace que tome una dirección determinada.
Se genera una exotermia que puede elevar la temperatura hasta 70 °C, que hace que el propelente en disolución en el poliol se convierta en un gas por la exotermia generada, el agua en parte se convierte en dióxido de carbono, esto hace que expanda la mezcla, formándose pequeñas celdas después del gelado o cremado. Aunque las celdas de CO2 son parte del reticulado, se entremezclan con las que contienen fluorocarbonos para efectos de la estabilidad dimensional.
Algunos polioles llevan componentes antiflama que hace que sean no-comburentes o no-inflamables. En algunos países es obligatorio el uso de este componente para determinadas aplicaciones y son clasificados bajo normas de seguridad.
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Las celdas se van formando a medida que se alcanza en tiempo de hílo, para finalizar en el tiempo de Tack free (toque libre).
Al terminar la reacción química, la espuma de poliuretano contiene millones de celdas regulares que son las que al final le dan las características de aislamiento térmicas, resilentes y acústicas.
Una espuma de poliuretanos tiene un coeficiente de transferencia térmica de aprox. 0.0183 unidades BTU de transferencia de calor.
La estabilidad dimensional es un aspecto muy importante en la calidad de la espuma formada, muchas veces ha sucedido que fórmulas de polioles mal balanceadas, exceso de agua, mezclas poliol/isocianato deficientes, produzcan contracción del polímero, pandeándose y perdiendo su forma.
La mezcla poliol/isocianato debe ser estequiométricamente balanceada, en general la mezcla esta por un 10% por sobre lo estequiométrico para mayor seguridad; una mezcla mayor en poliol y menor en Isocianato lleva a espumas blandas e inestables; un exceso de Isocianatos conduce a espumas ureícas (Poliuretanos PIR).
El principal mercado es para el rígido en la industria de la aislación térmica (Refrigeradores) y en segundo lugar, las industrias de los flexibles.
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Tabla 1. Comparación del coeficiente de conductividad térmica entre diferentes materiales.
Material Densidad (kg/m³) Conductividad
térmica (W/m.K)
Chapa de Aluminio 2700 204
Hormigón 2400 1.63
Vidrio plano 2500 0.81
Ladrillo macizo 1600 0.81
Tejas (plana) 1800 0.76
Yeso placas 1000 0.44
Hormigón liviano 1000 0.36
Nieve compactada 300 0.23
Madera (pino) 700 0.17
Lana de vidrio 11 0.041
Lana de vidrio 15 0.038
Lana de vidrio 100 0.032
Poliuretano rígido 35 0.020
Poliuretano proyectado 30 0.024
1.5 PROPIEDADES PRINCIPALES DEL PU Posee un coeficiente de transmisión de calor muy bajo, mejor que el de los aislantes tradicionales, lo cual permite usar espesores mucho menores en aislaciones equivalentes. • Mediante equipos apropiados se realiza su aplicación "in situ" lo cual permite una rápida ejecución de la obra consiguiéndose una capa de aislación continua, sin juntas ni puentes térmicos. • Su duración, debidamente protegida, es indefinida.
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• Tiene una excelente adherencia a los materiales normalmente usados en la construcción sin necesidad de adherentes de ninguna especie. • Tiene una alta resistencia a la absorción de agua. • Muy buena estabilidad dimensional entre rangos de temperatura desde 200 ºC a 100 ºC. • Refuerza y protege a la superficie aislada. • Dificulta el crecimiento de hongos y bacterias. • Tiene muy buena resistencia al ataque de ácidos, álcalis, agua dulce y salada, hidrocarburos, etc. Tabla 2. Propiedades físicas del PU
Propiedades ASTM UnidadesClase B−1
Clase B−2 e
Clase C
Clase C
Densidad D-1622 Kg./m3 32 40 48Resistencia Compresión D-1621 Kg./cm2 1.7 3.0 3.5Módulo compresión D-1621 Kg./cm2 50 65 100Resist. Tracción D-1623 Kg./cm2 2.5 4.5 6
Resist. Cizallamiento C-273 Kg./cm2 1.5 2.5 3Coef Conductividad C-177 Kcal/m.hºC 0.015 0.017 0.02Celdas cerradas D-1940 % 90/95 90/95 90/95Absorción de agua D-2842 g/m2 520 490 450
1.5.1 Propiedades mecánicas. Las propiedades mecánicas dependen de la medida de su peso volumétrico; a medida que este aumenta, aumenta su propiedad de resistencia. Los pesos volumétricos más usuales se hallan comprendidos entre 30 y 100 kg/m3, dentro de estos límites se obtienen los siguientes valores: Resistencia a la tracción entre 3 y 10 (Kp./cm2) Resistencia a la compresión entre 1,5 y 9 (Kp./cm2) Resistencia al cizallamiento entre 1 y 5 (Kp./cm2)
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Módulo de elasticidad entre 40 y 200 (Kp./cm2) 1.5.2 Resistencia a los productos químicos. El poliuretano es resistente al agua potable, al agua de lluvia y al agua de mar, las soluciones alcalinas diluidas, los ácidos diluidos, los hidrocarburos alifáticos como por ejemplo la gasolina normal, el carburante diesel, el propano, el aceite mineral, así como los gases de escape y el aire industrial (SO2). Es condicionalmente resistente (hinchamiento o encogimiento) a los siguientes productos: los hidrocarburos clorados, las acetonas y los éteres, no es resistente a los ácidos concentrados. 1.5.3 Comportamiento ignífugo. En el sector de la construcción se emplean exclusivamente materias primas que dan lugar a una espuma sintética auto extinguible. Mediante la combinación de una capa cubriente incombustible se alcanza el predicado (difícilmente inflamable), según DIN 4102. 1.5.4 Poder adhesivo. Una propiedad particularmente interesante del poliuretano aplicado "in situ" para el empleo como material de construcción es su adhesión a diferentes materiales. Durante la fabricación la mezcla espumable experimenta su estado intermedio pegajoso y en virtud de la fuerza adhesiva propia, automática y excelentemente se adhiere al papel, al cartón y al cartón asfaltado para techos, así como a las maderas, a las planchas de fibras duras y de virutas prensadas, a la piedra, al hormigón, al fibrocemento, a las superficies metálicas y a un gran aumento de materias plásticas. 2
2 RUBIN, Irvin I. Materiales plásticos, propiedades y aplicaciones. México: Limusa, 1993. p 7.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Análisis de la Factibilidad Técnica en la Utilización de Desperdicios Industriales de Espuma de EVA con Mezclas de PU Espumado para la utilización de Aislantes Térmicos y cojines a escala de laboratorio.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
� Caracterizar las propiedades mecánicas, por medio de las pruebas de tracción y compresión realizadas en el laboratorio, del desperdicio industrial de EVA, con el propósito de conocer y análisis sus posibles aplicaciones en la industria.
� Caracterizar las propiedades térmicas, por medio de las pruebas de conductividad realizadas en el laboratorio, del desperdicio industrial de EVA, con el propósito de conocer y análisis sus posibles aplicaciones en la industria.
� Analizar la influencia del porcentaje del desperdicio industrial de EVA en mezcla con la espuma de PU sobre las propiedades térmicas y mecánicas del material compuesto resultante.
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3. RESULTADOS OBTENIDOS
La incorporación de desperdicios industriales de espumas de EVA al PU rígido, modifica las propiedades mecánicas y térmicas del material compuesto resultante, los porcentajes adicionados de espumas de EVA, fueron 3, 6, 9, 12 y 15% en peso, siendo este último valor el máximo adicionado al PU, por razones de facilidad en la mezcla inicial.
La mezcla se efectúo adicionado los diferentes porcentajes de EVA rallado∗ a la mezcla de los componentes A y B del PU rígido en proporciones 50/50, dichos componentes son inicialmente líquidos y deben mezclarse mecánicamente dentro de una pequeña bolsa plástica que ya contiene el porcentaje de EVA en su interior, tal como se observa en la figura 3, adicionándola al molde antes de que se produzca la reacción del agente espumante y cerrándolo con cuatro prensas en C de tornillo a fin de contrarrestar la presión generada por la expansión del PU y su mezcla, tal como se observa figura 3.
Figura 3. Vaciado de los componentes A y B del poliuretano para la preparación de las mezclas.
∗ Los desperdicios industriales del proceso de inyección de EVA fueron reducidos a fragmentos de 0.01 – 0.05 mm, con la utilización de un rallador de cocina convencional.
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El proceso de extracción de la placa fundida de PU en mezcla con los residuos de EVA, a partir de la cual se recortaron las probetas tipo halterio o hueso de perro utilizadas para los ensayos de tracción según norma ASTM D 638 tipo I y la probeta para la prueba de resistencia a la compresión, fue facilitado mediante el recubrimiento del molde con una película de PE, que evita la adherencia del polímero al molde, tal como se observa en la figura 4.
Figura 4. Placa fundida en PU en mezcla con los residuos de EVA
El recorte de las probetas para los ensayos de tracción, a partir de la placa fundida, se efectúo con un bisturí previo trazado de la forma que exige la norma ASTM D 638, ver figura 4, mientras que las probetas para los ensayos de compresión fundidas, no fueron adecuadas y tienen la forma de un tramo del ramal de inyección de la espuma de EVA, fuente principal del desperdicio industrial utilizado en este trabajo.
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Figura 5. Recorte de las probetas para los ensayos de tracción
Figura 6. Probetas ensayo de compresión
Las probetas halterio o hueso de perro fueron tratadas superficialmente, retirándoles con pulimento de lija, una piel formada durante el moldeo, para facilitar la sujeción a la mordaza de la maquina de ensayos. Las proporciones del volumen del molde vs. volumen de PU adicionado, fueron de 6.5/1 y fue utilizada por facilidad en la manipulación del molde durante el proceso de cierre del mismo, debido a que proporciones menores no daban el tiempo
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necesario para cerrar el molde con las prensas en C, como se muestra en la figura 7.
Figura 7. Molde durante el proceso de espumado, cerrado con prensas en C.
Los ensayos de tracción y compresión fueron realizados en una maquina universal de ensayos marca INSTRON 2710-003 con una velocidad de deformación de 25 mm/min, se noto particularmente en los ensayos de tracción la fractura ocurría muy cerca del cuello de la probeta, indicativo de concentración de tensiones originadas probablemente durante el recorte de la probeta.
3.1 EFECTO DE LA ADICIÓN DE EVA AL PU SOBRE LA RESISTENCIA A LA TENSION
La incorporación de fragmentos de residuos industriales de EVA al PU, durante el proceso de mezclado de los componentes A y B que dan origen al PU espumado y reticulado, crean un material compuesto con propiedades diferentes a los originales, que dependerán del grado de compatibilidad lograda entre los componentes originales.
La compatibilidad química de los materiales originales en mezcla, debe ser baja debido a que la estructura química del PU rígido espumado es 4,4´-difenilmetano-
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diisocianato (MDI), mientras que el EVA es etil vinil acetato, tal como se aprecia en las figura 8 que agrupa los valores de la resistencia a la tensión realizados, tanto para el PU y el EVA puros, como para las mezclas con 3, 6, 9,12 y 15% de residuos de EVA rallados.
Gráfica 1. Influencia sobre la resistencia a la tensión de la adición de residuos de EVA.
INFLUENCIA SOBRE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN A TRACCIÓN DE LA ADICIÓN DE EVA AL PU
y = -6E-05x5 + 0,0024x4 - 0,0325x3 + 0,1732x2 - 0,3067x + 0,6955
R2 = 1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
% EVA
(M P
a)
De acuerdo a lo observado en la grafica 1 es notable el descenso en la resistencia a la tensión con la incorporación de residuos de EVA al PU, debido a la poca o inexistente compatibilidad de los materiales mezclados, en especial en los porcentajes comprendidos entre el 6 y el 12% de residuos de EVA, la aparente estabilidad de la resistencia a la tensión en el 3 y 6% de residuos de EVA incorporados al PU, muestran que el porcentaje de EVA es aun muy bajo para afectar las propiedades mecánicas.
La recuperación de resistencia a la tensión evidenciada en el 15%, puede explicarse en la morfología de la celda espumada, que a simple vista se observaba más densa.
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Figura 8. Apariencia externa de la mezcla al 15% desperdicios de EVA el PU
3.2 EFECTO DE LA ADICION DE RESIDUOS DE EVA SOBRE LA RIGIDEZ DEL PU A TRACCION
La excesiva cantidad de EVA en proporción al 15% en peso adicionada al PU, limita la acción del agente espumante a tal punto que es incapaz de llenar la totalidad del molde, tal como se observa en la figura 8, aumentando además la rigidez de la mezcla de acuerdo a lo observado en la gráfica 2.
Gráfica 2. Influencia sobre el modulo de elasticidad de la adición de EVA al PU
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De acuerdo a lo observado en la gráfica 2 es notable el descenso del modulo de elasticidad en especial, en los porcentajes comprendidos entre el 6 y el 12% de la incorporación de residuos de EVA al PU, en forma similar a lo ocurrido con la resistencia a la tensión, al igual que con la aparente estabilidad en los porcentajes del 3 y 6% de residuos de EVA incorporados al PU.
La clara mejoría y recuperación de las propiedades mecánicas de la mezcla en el aumento de los porcentajes comprendidos entre 12 y 15% de residuos de EVA incorporados al PU, se podría decir que mejoraron tanto o mas que la mezcla inicial del 3% de residuos de EVA al PU.
Figura 9. Probetas tipo hueso de perro, para ensayo de tracción en los porcentajes de 12 y 15% de residuos de EVA incorporados al PU.
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Gráfica 3. Comportamiento de espumas de EVA y de PU puros.
En la gráfica 3 se muestra el comportamiento mecánico, en un diagrama esfuerzo deformación a tracción, del EVA y el PU en estado puro, evidenciando el comportamiento rígido y frágil del PU, observado en un alto modulo de elasticidad y una ruptura súbita a bajo nivel de deformación, mientras que el EVA lo exhibe típicamente elástico, con bajo modulo de elasticidad y una gran deformación antes de la ruptura.
La adición de desperdicios de EVA al PU, produce comportamientos intermedios entre el PU y el EVA, de acuerdo a la Gráfica 4, exceptuando la mezcla del 15% que tiene un comportamiento mucho mas rígido que el PU puro, esto indica algún nivel de interacción entre los dos materiales, probablemente debido a anclajes mecánicos, mas que a afinidad química, en especial para los porcentajes 9 y 12%. Los porcentajes del 3 y 6% de residuos de EVA adicionados al PU, exhiben comportamientos muy similares al PU puro, en lo que a rigidez se refiere.
0,0 0,4 0,8
0,0
0,4
0,8
Deformacion Unitaria (mm/mm)
Esf
uerz
o N
orm
al (M
Pa)
EVA PU
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Gráfica 4. Diagrama esfuerzo deformación del PU, el EVA y sus mezclas
0,0 0,1 0,2 0,3
0,0
0,4
Deformacion Unitaria (mm/mm)
Esf
uerz
o N
orm
al (
MP
a)
EVA PU 03 06 09 1215
La deformación máxima o deformación a la ruptura, se comporta en la misma forma que la rigidez, presentando su mayor valor para el EVA y el menor para la adición del 15% de EVA al PU y todos los demás en forma intermedia en términos generales.
3.3 INFLUENCIA DE LA ADICION DE ESPUMA DE EVA SOBRE RIGIDEZ Y LARESISTENCIA A LA COMPRESION DEL PU
En la grafica Esfuerzo – Deformación se puede apreciar una fácil deformación unitaria del EVA, con un mínimo de esfuerzo normal. Contrario al comportamiento en la compresión del PU rígido, este requirió de mayor esfuerzo para su deformación, casi de 1,5 (M Pa).
De acuerdo con la grafica 5 se puede observar que se encuentra significativamente por en cima del PU, la mezcla de 3% de residuos de EVA incorporados al PU, lo cual nos indica que adquirió mas resistencia a la deformación, se encuentran también cerca al nivel los porcentajes 6 y 9% de residuos de EVA incorporados al PU.
En cuanto a los porcentajes 12 y 15% de residuos de EVA incorporados al PU, se puede observar que tienden a comportarse similar a la espuma de EVA, ósea con
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facilidad a la deformación con mínimo esfuerzo. En términos generales podemos afirmar que la tendencia con el aumento en el porcentaje de EVA incorporado al PU, es la reducción de la resistencia a la compresión de la mezcla resultante.
La rigidez a compresión en cambio, presenta dos claras situaciones, mientras que para los porcentajes comprendidos entre al 3 y 9% la rigidez es muy similar a la del PU, para los porcentajes 12 y 15%, es mas parecido a la del EVA, por lo tanto para un porcentaje de adición de EVA al PU, comprendido entre el 9 y el 12%, se encuentra una transición de un comportamiento rígido a uno elástico de la mezcla resultante.
Gráfica 5. Análisis de compresión efectuado al PU, el EVA y sus mezclas
-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Esf
uerz
o N
orm
al(M
Pa)
Deformacion Unitaria (mm/mm)
EVA PU 03 06 09 12 15
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3.4 INFLUENCIA DE LA ADICION DE EVA SOBRE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL PU
La conductividad térmica analizada en cada uno de los porcentajes de las mezclas 3, 6, 9,12, y 15%, muestran que modifican las propiedades del PU elevándolas desde 0,02 W/m K para el PU puro, hasta 0,069 W/m K para el 3% de adición de EVA, no obstante este sigue siendo un valor muy bajo de conductividad térmica de un material. El valor mas bajo encontrado fue de 0,049 W/m K para el 9% de adición de EVA, de acuerdo a la tabla 4.
Considerando que los valores reportados de conductividad térmica del EVA son de 0,08 W/m K se observa la misma tendencia registrada en las propiedades mecánicas en la cual las propiedades de las mezclas resultantes, se encuentran, en términos generales, entre los valores de los componentes originales.
Tabla 3. Conductividad térmica de EVA PU y sus mezclas
CONDUCTIVIDAD TERMICA k (W / m k)
MEZCLA % PROBTA 1 PROBETA 2 PROMEDIO
EVA 0 0 0,08
PU 0 0 0,02
EVA 3% 0,066 0,072 0,069
EVA 6% 0,062 0,0669 0,06445
EVA 9% 0,054 0,0437 0,04885
EVA 12% 0,0649 0,053 0,05895
EVA 15% 0,072 0,05 0,061
Los ensayos de conductividad térmica fueron realizados en una maquina universal de ensayos marca ARMFIELD HT10X HEAT TRANSFER SERVICE UNIT de 12 temperaturas (W / m k) diferentes, estos ensayos fueron realizados en los laboratorios de la Base Aérea ver figura 10.
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Figura 10. a) Máquina Armfield ht10x heat transfer service unit
b) Máquina Armfield ht10x heat transfer service unit
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4. CONCLUSIONES
De acuerdo a las pruebas mecánicas y térmicas realizadas a la espuma de EVA, al PU y a las mezclas con los diferentes porcentajes (3, 6, 9, 12 y 15%) del molido de EVA adicionado al PU, los resultados obtenidos son que el EVA modifica las propiedades mecánicas del PU produciendo una reducción significativa del modulo de elasticidad.
Analizando la conductividad térmica de las probetas se observo que las propiedades térmicas de las mezclas son muy similares a las del PU y la espuma de EVA. Nuestro nuevo material mostró una muy buena conductividad térmica, similar a la de la fibra de vidrio, lo cual demostró que el estudio realizado cumplió con el objetivo de mejorar y mantener las propiedades de los materiales analizados, por lo tanto el desperdicio del EVA inyectado se puede reutilizar en mezcla con el PU rígido, buscando una reducción en el costo del PU.
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BIBLIOGRAFIA
DONALD R. Askeland. La ciencia e Ingeniería de los materiales. Control de la microestructura y de las propiedades mecánicas de los materiales. México D.F: Grupo Editorial Iberoamérica, 1987, 543 p. HELLERICH; HARSCH y HAENLE. Guía de materiales plásticos Propiedades, ensayos y parámetros, Alemania: Verlag, 2003. 63 p. POLLACK HERMAN, W, Maquinas Herramientas y Manejo de Materiales. México: Prince Hall, 2000. 240 p. Plásticos del futuro. En: Revista Integral, 9 ed. (Mar. 2007). p. 28-30. R. C. Hibberler. Mecánica de materiales. Propiedades mecánicas de los materiales. 6ed. México: Pearson Educación, 2006. 896p. Nuevo material para el calzado EVA. En: Revista Plásticos Modernos, Vol. 81. (Abr. 2001). p. 28-29. RUBIN, Irvin I. Materiales plásticos, propiedades y aplicaciones. México: Limusa, 1993. 120 p.