entrega 3

ENTREGA 3

Proyecto 1

PROYECTO INVESTIGATIVO MADERA PLÁSTICA

                                                                                                       

Profesora:

Alejandra Vidal

   

María José González Tabares

Juan Daniel Mejía Arango

Santiago Baena Trujillo

Daniel Cadavid Correa

Andrés Gómez Blanco

 UNIVERSIDAD EAFIT

Octubre 19 del 2013

PROYECTO INVESTIGATIVO

OPTIMIZACIÓN DE CARACTERÍSTICAS FISICOMECÁNICAS DE LA MADERA PLÁSTICA

EMPRESA AGROFIBRAS S.A.

               OBJETIVOS

·         Analizar las propiedades fiscomecánicas del plástico, utilizado como sustituto de la madera natural.

·         Comparar el comportamiento de cada material mediante las pruebas de esfuerzo, tales como: Compresión y flexión.

·         Basados en los resultados de las pruebas realizadas, queremos establecer las ventajas y desventajas que implica reemplazar la madera natural por el plástico.

·         Proporcionarle información útil a la empresa AGROFIBRAS S.A, con el fin de optimizar las variables que entran en el proceso de producción.

·         Demostrar la posibilidad de éxito que tiene el plástico reciclado como sustituto de la madera natural.

 MATERIALES Y DOSIFICACIONES

Los materiales utilizados son: Plástico reciclado, Polietileno y Polipropileno reciclado.

PET

El tereftalato de polietileno (más conocido por sus siglas en inglés PET, polyethylene terephtalate) es un tipo de plástico muy usado en envases de bebidas y textiles. Algunas compañías manufacturan el PET y otros poliésteres bajo diferentes marcas comerciales, por ejemplo, en los Estados Unidos y el Reino Unido usan los nombres de Mylar y Melinex.

Químicamente el PET es un polímero que se obtiene mediante una reacción de policondensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres.

Es un polímero termoplástico lineal, con un alto grado de cristalinidad. Como todos los termoplásticos puede ser procesado mediante extrusión, inyección, inyección y soplado, soplado de preforma y termoconformado. Para evitar el crecimiento excesivo de las esferulitas y lamelas de cristales, este material debe ser rápidamente enfriado, con esto se logra una mayor transparencia, la razón de su transparencia al enfriarse rápido consiste en que los cristales no alcanzan a desarrollarse completamente y su tamaño no interfiere con la trayectoria de la longitud de onda de la luz visible, de acuerdo con la teoría cuántica.

Presenta como características más relevantes:

·         Alta transparencia, aunque admite cargas de colorantes.

·         Alta resistencia al desgaste y corrosión.

·         Muy buen coeficiente de deslizamiento.

·         Buena resistencia química y térmica.

·         Muy buena barrera a CO₂, aceptable barrera a O₂ y humedad.

·         Compatible con otros materiales barrera que mejoran en su conjunto la calidad barrera de los envases y por lo tanto permiten su uso en mercados específicos.

·         Reciclable, aunque tiende a disminuir su viscosidad con la historia térmica.

·         Aprobado para su uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios.

Las propiedades físicas del PET y su capacidad para cumplir diversas especificaciones técnicas han sido las razones por las que el material haya alcanzado un desarrollo relevante en la producción de fibras textiles y en la producción de una gran diversidad de envases, especialmente en la producción de botellas, bandejas, flejes y láminas.

POLIPROPILENO

El polipropileno es el polímero termoplástico, parcialmente cristalino, que se obtiene de la polimerización del propileno. 

·         Densidad: 946,00 kg/m³

·         Punto de fusión: 130 °C

·         Fórmula: (C3H6)n

El PP isotáctico comercial es muy similar al polietileno, excepto por las siguientes propiedades:

·         Menor densidad: el PP tiene un peso específico entre 0,9 g/cm³ y 0,91 g/cm³, mientras que el peso específico del PEBD (polietilenode baja densidad) oscila entre 0,915 y 0,935, y el del PEAD (polietileno de alta densidad) entre 0,9 y 0,97 (en g/cm³)

·         Temperatura de reblandecimiento más alta

·         Gran resistencia al stress cracking

·         Mayor tendencia a ser oxidado (problema normalmente resuelto mediante la adición de antioxidantes)

El PP tiene un grado de cristalinidad intermedio entre el polietileno de alta y el de baja densidad.

Propiedades mecánicas

	PP homopolímero	PP copolímero	Comentarios
Módulo elástico en tracción (GPa)	1,1 a 1,6	0,7 a 1,4
Alargamiento de rotura en tracción (%)	100 a 600	450 a 900	Junto al polietileno, una de las más altas de todos los termoplásticos
Carga de rotura en tracción (MPa)	31 a 42	28 a 38
Módulo de flexión (GPa)	1,19 a 1,75	0,42 a 1,40

 Propiedades térmicas

	PP homopolímero	PP copolímero	Comentarios
Temperatura de fusión (°C)	160 a 170	130 a 168	Superior a la del polietileno
Temperatura máxima de uso continuo (°C)	100	100	Superior al poliestireno, al LDPE y al PVC pero inferior al HDPE, al PET y a los "plásticos de ingeniería"

POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD

El polietileno (PE) es químicamente el polímero más simple. Se representa con su unidad repetitiva (CH₂-CH₂)_n. Es uno de los plásticos más comunes, debido a su alta producción mundial (aproximadamente 60 millones de toneladas anuales alrededor del mundo) y a su bajo precio. Es químicamente inerte. Se obtiene de la polimerización del etileno (de fórmula química CH₂=CH₂ y llamado eteno por la IUPAC), del que deriva su nombre.

Se define por un intervalo de densidad de 0,910-0,940 g/cm³. El LDPE tiene un alto grado de ramificaciones en la cadena polimérica, lo que significa que las cadenas no se empaquetan muy bien en la estructura cristalina. Por lo tanto, las fuerzas de atracción intermoleculares son menos fuertes. Esto se traduce en una menor resistencia a la tracción y el aumento de ductilidad. El LDPE se crea por polimerización por radicales libres. El alto grado de ramificación con cadenas largas da al LDPE propiedades de flujo en fundido únicas y deseables. El LDPE se utiliza tanto para aplicaciones de envases rígidos y de películas de plástico tales como bolsas de plástico y películas para envolturas. En 2009, el mercado mundial de polietileno de baja densidad tuvo un volumen de alrededor de u$s 22,2 mil millones (€ 15,9 mil millones).

PROCESO DE PRODUCCIÓN

El proceso comienza con el polietileno y el polipropileno en sus respectivas cantidades en un tolva (En algunos casos PET), de allí pasan a la mezcladora y esa pasta caliente con su respectiva tintase ingresa al tornillo extrusor, en el cual las temperaturas van de 110°C al inicio hasta 260°C al final; luego la mezcla pasa al molde de hierro que le dará la forma y el acabado final, el se introduce en agua fría durante 10 o 15 minutos para, posteriormente extraer la madera plástica de su interior como producto terminado.

PRUEBAS

·         COMPRESIÓN

·         FLEXIÓN

·         FUEGO

RESULTADOS Y ANÁLISIS

·        PRUEBA DE COMPRESIÓN

PROBETAS MADERA NATURAL SECAS
	TIPO 1 OSCURA	TIPO 2 CLARA
Peso húmedo (kg)	0,412	0,316
Peso  seco (kg)	0,318	0,266
humedad %	29,56%	18,8
Altura  mm	128,8	131,9
Área transversal mm2	3862,56	4133,68
Fuerza máxima  KN	106	193,5
Esfuerzo máximo  KN/mm2	27,44	46,8

PROBETAS MADERA NATURAL HUMEDAD NATURAL
	TIPO 1 OSCURA	TIPO 2 CLARA
Peso ambiente (kg)	0,393	0,317
Altura mm	131,7	130,095
Área transversal mm2	4051.02	4402,32
Fuerza máxima  KN	166.5	158,9
Esfuerzo máximo  KN/mm2	41,1	36,1

PROBETA MADERA PLÁSTICA
	SIMILAR EN DIMENSIONES A PROBETAS DE MADERA NATURAL
Dosificación	70% PP  30% PE
Altura mm	123,5
Área transversal mm2	4160
Fuerza máxima  KN	84,5 KN
Esfuerzo máximo  KN/mm2	20,3

GRÁFICA PRUEBA DE COMPRESIÓN

·        PRUEBA DE FLEXIÓN

DIMENSIONES
		Largo (cms)	Ancho (cms)	Espesor (cms)
Madera Teca	1A	19,45	7,00	3,60
	2A	50,10	7,00	3,60
Madera Plástica	1B	23,20	8,15	4,13
	2B	50,00	8,05	4,15
	1C	24,60	11,40	2,88
	2C	49,65	11,50	3,10
	1D	24,50	11,40	2,88
	2D	49,80	11,50	2,96

                                                                                                       

·        Madera teca identificada con letra A

·        Madera plástica:

B: dosificación 2 ( con PET)

C: dosificación 1

D: dosificación 1 porosa

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE FLEXIÓN
		FUERZA MÁXIMA (N)	ESFUERZO MÁXIMO (Mpa)
Madera teca	1A	35200	87,3
	2A	16700	113,21
Madera plástica	1B	13750	29,67
	2B	6120	27,15
	1C	13250	42,08
	2C	4860	27,045
	1D	12000	38,07
	2D	5000	30,51

ESFUERZO MÁXIMO A FLEXIÓN :  3 * FUERZA MÁXIMA* LUZ/ 2*ANCHO*ESPESOR²

Según normativa ASTM D 790 Standard Test Methods for Flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulated materials.

MERCADEO

MATERIAL	PLASTICO (POLIETILENO) Kg	POLIPROPILENO kg	COLORANTE ARTIFICIAL kg
PRECIO	$1.000	$1.252	$8.500

·        PET reciclado: $ 515  cada kg

PRECIOS PRODUCTO FINAL ( 1 metro lineal)
MADERA PLASTICA	MADERA NATURAL (TECA)
$11.000	$19.500

Este producto está dirigido para múltiples usos, tales como elementos usados en ganadería  y actividades agropecuarias como saladeros, estacones de corrales y cerramientos; el sector industrial como escaleras, entibas y estanterías; en construcción para hacer pequeñas casas, kioscos, casetas, puentes y muelles. También está dirigido a clientes que requieran de tablillas, tejas y ladrillos de esta madera plástica; DECKS, casas para perros, bancas, mesas, parques infantiles o construcciones que van a estar al aire libre ya que este material es muy durable y resistencias a las variaciones climáticas.

También se usa en construcción para hacer formaletas, elementos usado en construcción como molde para vaciar elementos estructurales, reemplazando así los paneles y tablones de madera natural por madera plástica. Además, es usado en tapas de acueducto o rejilla de canaletas.

Además es un producto que aportaría a la conservación del medio ambiente, reduciendo la demanda existente sobre la madera natural; ya que el uso masivo de este material se une al de muchos otros llamados ecológicos que buscan reducir la presión sobre los recursos naturales. Esto debería ser una gran razón para masificar este producto.

VARIABLES A OPTIMIZAR

Luz y porosidad son las principales, para mostrar con resultados útiles para la empresa, como el cambio de estas variables afecta las propiedades mecánicas de la madera plástica.

·        Porosidad

Comprobar que la porosidad del material depende de la temperatura del proceso y del colorante que se le adiciona a la mezcla. Además se quiere mostrar cómo afecta negativamente la porosidad a la resistencia del material.

·        Luz

Encontrar distancia óptima entre apoyos que garantice una buena resistencia a flexión permitiendo una mayor durabilidad del material ante la aplicación de esfuerzos constantemente.

·        Material reciclado

Se pretende usar la mayor cantidad de material reciclado, pero sin sacrificar la calidad del producto final.

·        Flexibilidad

Optimizar la flexibilidad del plástico reciclado con el fin de garantizar una mejor relación esfuerzo-deformación, comparando los resultados de cada dosificación

·        Resistencia al fuego

Demostrar qué ventaja tiene la madera plástica frente a la  madera natural en una situación de altas temperaturas.

CONCLUSIONES Y ANÁLISIS BASADOS EN LAS PRUEBAS

·         La meta que trazada era aportarle información valiosa a la Empresa productora de madera plástica Agrofibras SA para optimizar sus productos, basados en pruebas hechas sobre este material, con diferentes dosificaciones, mostrando de manera clara como se comporta ante cargas de compresión y de flexión y así poder establecer cuáles son los valores óptimos aproximados de cada variable que tiene influencia en el proceso de producción, tales como la luz, la porosidad y el uso de diferentes tipos de material reciclado Partiendo de esto realizamos las respectivas pruebas tanto a madera plástica como a madera natural teca y podemos decir lo siguiente.

·         La nueva dosificación creada durante el proceso que llevamos con esta empresa, llamada por nosotros como dosificación 2, en la cual se adiciona un nuevo material a la mezcla llamado PET, es la que soporta una mayor carga.

·         Por otro lado, evidenciamos que ante mayor espesor de la probeta ( no necesariamente mayor área transversal, su resistencia a la flexión será menor, como ocurre con la probeta de la dosificación 2, que si bien es la que muestra una fuerza máxima mayor, también es la que muestra un esfuerzo (fuerza por unidad de área) un poco menor, comparado con las probetas de dosificación 1 porosas y no porosas.

·         Evidenciamos que la resistencia a la flexión de un listón de madera plástica si se ve afectado por la porosidad de la probeta, por ejemplo la probeta porosa tuvo una resistencia máxima de 38 mpa comparados con los 42 mpa de la no porosa de iguales dimensiones.

·         Como estaba previsto, la resistencia aumenta en gran medida, a su vez que la deformación es menor cuando reducimos la luz a la mitad ( de 41 cm a 20 cm según norma ASTM). Las probetas de 25 cm resisten aproximadamente el doble de fuerza de flexión que las de 50cm de longitud, siendo cargadas en su centro.

·         Queríamos comparar la madera natura teca con la madera plástica y evidenciamos que la teca resiste aproximadamente 2.5 veces más que el producto plástico, se deforma menos presentando fisuras y desgarros hasta romperse totalmente; diferente de la madera plástica que si bien no resiste tanto, muestra una mayor deflexión antes de llegar a su falla, la cual es explosiva. Esto demuestra que si bien la teca aguantará cargas mayores, la madera plástica soportará cargas moderadas mostrando gran flexibilidad, dada principalmente por el PET y el polietileno ( el PP es quebradizo y aporta rigidez).

·         Por otro lado, los resultados de las pruebas a compresión nos mostraron una mayor resistencia de la madera frente al plástico, aunque este último mostró un esfuerzo máximo similar (20,3mpa) al del concreto de 21mpa. Esta superioridad de la madera en este caso se debe en gran medida a que esa carga se le aplica en el mismo sentido de sus fibras y no perpendicular a estas, que es cuando muestra una menor resistencia.

·         En resumen, la madera plástica no resiste cargas mayores que la madera teca tanto de flexión como de compresión, sin embargo no son valores considerados como bajos, sino como moderados, que muestran que este producto si puede ser usado en proyecto de vivienda de interés social, pequeñas construcciones, decks y pisos o superficies para el paso de personal ya que entre sus cualidades también está la durabilidad y su poco deterioro ante los agentes atmosféricos.

·         La madera natural sigue conservando y conservará una ventaja: la estética; sin embargo esto va ligado al costo, que es un punto importante en este análisis ya que el metro lineal de madera plástico cuesta la mitad que el de teca.

·         Además, la madera plástica requiere mínimo o nulo mantenimiento, muestra mejor resistencia al fuego que la madera natural, es antideslizante, su vida útil es de aproximadamente 500 años y se muestra como un producto accesible, de bajo costo; además,  en los casos en los que se tenga pensado utilizar madera natural, este producto se muestra como alternativa ecológica, evitando la tala de gran cantidad de árboles que se destinan principalmente a la industria de la construcción.