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Estudio de la fluencia termica de PET reciclado utilizando el proceso de termoformado.

Study of thermal fluency of recycled PET using the thermoforming process

INTRODUCCION

Sanchez Lopez et al. (2012) reportaron que en el Instituto Tecnologico de Aguascalientes se ha estado trabajando en la Caracterizacion del Proceso de Extrusion de PET Reciclado. Para tal efecto se requirio disenar y construir una maquina extrusora. La conceptualizacion de la extrusora se baso en la caracterizacion de los parametros del proceso de extrusion del PET reciclado, en donde se identifico que uno de los principales parametros es la fluencia termica del material, ya que influye directamente en el tiempo, la velocidad y la presion de extrusion.

Cormenzana (2001) identifica que durante el proceso de extrusion de polimeros se hace patente la fluencia debido al cambio de temperatura que afecta directamente la densidad del material y como consecuencia se tiene un problema dentro del contexto de la dinamica del fluido, en donde se requiere conocer el comportamiento viscoelastico no lineal del polimero.

Meissner y Hostettler (1994), asi como Arteaga y Raymonde (2007) establecen que el comportamiento reologico de los polimeros implica altas tasas de deformacion, tanto en flujos cortantes como en flujos elongacionales, lo que ha permitido desarrollar diversas tecnicas para determinar la viscosidad elongacional en los polimeros.

Hieber y Chang (1993) utilizaron un molde en espiral para el estudio de la reologia de los polimeros, y analizaron la influencia de la variacion de la densidad del material, controlando la presion y la temperatura del proceso.

Rao, Schumacher y Chuang (1999) desarrollaron un metodo semiempirico para predecir la longitud del flujo en diferentes polimeros. Asumen flujo no newtoniano en funcion de la viscosidad y la temperatura.

Ponz (2008) cita que Leonardi F. utiliza una extrusora controlando la temperatura, la presion y la velocidad de extrusion. En un mismo ensayo pudo caracterizar el material bajo distintas condiciones de proceso, con el objetivo de relacionar la velocidad del proceso con el caudal extruido.

Bourgin, Cormeau y Saint-Matin (1995) desarrollaron un codigo para mejorar el entendimiento del proceso de termoformado de hojas de plastico, basado en las leyes constitutivas de materiales polimericos bajo grandes deformaciones, asumiendo que las propiedades mecanicas son dependientes de su comportamiento viscoelastico y de la temperatura por encima de la recristalizacion.

Aus der Wiesche (2004) presenta las ecuaciones que gobiernan la distribucion de temperatura en hojas de plastico. Asimismo, el flujo del calor por conveccion se modela mediante la condicion de Newton en funcion del coeficiente de transferencia por conveccion y la diferencia de temperaturas del medio ambiente y de la hoja de plastico, y de forma analoga en la transferencia por conductividad.

Thomann y Ermanni (2004) utilizan un enfoque micromecanico para representar la curva del flujo de materiales compuestos de fibra alineada discontinua unidireccional. El modelo es validado a traves de mediciones de la curva del flujo de compuestos de poly(laurolactam) de fibra de carbono.

Al-Haik M et al. (2001) investigaron, en un polimero composito, las propiedades viscoplasticas en funcion de la mayor temperatura del proceso. Utilizando carga variable y datos de fluencia termica obtuvieron la dependencia entre las propiedades viscoplasticas y el tiempo. Su modelo es capaz de predecir el comportamiento de fluencia termica en periodos cortos y a bajas temperaturas.

Briody, Duignan, Jerrams y Ronan (2012) compilaron resultados de la prueba de compresion bajo tensiones de fluencia identicas, en un rango de temperaturas realizadas en una espuma de poliuretano flexible. Las curvas de fluencia obtenidas de estas pruebas fueron cambiadas a lo largo de la escala de tiempo por un factor que correspondio a una temperatura de prueba individual. El factor de desplazamiento a cualquier temperatura relaciona el tiempo para un proceso de flujo viscoelastico y el tiempo para el mismo proceso a una temperatura de referencia.

Lechat, Bunsell y Davies (2011) compararon el comportamiento mecanico entre fibras de Tereftalato de polietileno (PET) y de Neftalato de pilietileno (PEN). Concentraron su atencion en el comportamiento de fluencia del material sometido a condiciones de tension. Para ambos materiales, la tasa de fluencia es bastante baja y pareciera ser dependiente de la carga aplicada, por lo que se concluye que dicha dependencia no es lineal. La tasa de fluencia la determinaron ajustando las curvas con una funcion logaritmo.

Pegoretti, Kolarik y Slouf (2009) investigaron la fluencia a la tension en Tereftalato de polietileno reciclado (rPET), asi como en sus compuestos binarios y ternarios que contienen fibras de vidrio cortas o modificadores

de impacto. Los cambios de resistencia a la traccion se realizaron mediante el uso de un aparato experimental casero equipado con un amplificador de tension mecanica. Basaron su estudio en que la fluencia es funcion del tiempo, el esfuerzo y la temperatura. La tasa de fluencia, que era generalmente muy pequena en todas las pruebas, fue ligeramente reducida en el compuesto con fibras de vidrio cortas y aumento con el compuesto de modificadores de impacto.

Flores, Balta Calleja y Asano (2001) observaron el comportamiento a la fluencia y las propiedades elasticas en peliculas de Tereftalato de polietileno estirado en frio, recocidas en el rango de 60[grados]C a 240[grados]C. Fueron investigadas por medio de pruebas de microindentacion. El comportamiento de fluencia aparece intimamente correlacionado a los cambios que ocurren en la nanoestructural del material recocido. El estudio revela que el material sin tratamiento fluye a velocidades mas altas, por lo cual la tasa de fluencia tiende a disminuir con el aumento del espesor de las laminillas. Este hallazgo sugiere que el flujo viscoplastico del PET estirado en frio disminuye con el aumento del orden estructural del material, lo que es un estado precursor de cristalizacion.

Con base en las especificaciones del proyecto de investigacion "Caracterizacion del Proceso de Extrusion de PET Reciclado", presentado por Sanchez et al. (2011), se identifica el requerimiento de conocer la temperatura del proceso de extrusion que demande la menor cantidad de presion de extrusion, manteniendo la velocidad constante.

Si se considera que la fluencia termica de los materiales es un proceso de deformacion a carga constante que depende principalmente del cambio de temperatura, se considera factible su uso para identificar el rango de temperatura del proceso para la extrusion del PET reciclado previamente citada.

MATERIALES Y METODOS

El metodo utilizado es de tipo experimental, con recoleccion de datos en laboratorio. El material utilizado como materia prima es PET reciclado obtenido a partir de envases de refresco o de agua. En la Figura 1 se observa la geometria de las muestras de estudio, para lo cual se prepararon 60 muestras en forma de hojas de 100 x 100 mm y 1.5 mm de espesor. Las muestras se sometieron a las condiciones requeridas aprovechando las ventajas que ofrece el proceso de termoformado por gravedad.

Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio de Mecanica del Departamento de Metal Mecanica del Instituto Tecnologico de Aguascalientes mediante una maquina para termoformado de cama plana con capacidad para termoformar hojas de tamano A4, mediante sujecion por presion.

[FIGURA 1 OMITIR]

En la Figura 2 se observa la maquina de termoformado por gravedad utilizada en la experimentacion. La temperatura se obtiene a traves de resistencias electricas, con una fuente de 120 V a 900 W, y puede ser controlada mediante el uso de un potenciometro con capacidad hasta de 500[grados]C.

Las pruebas se realizaron con 60 muestras en las cuales no se aplico tal cual el proceso de termoformado; es decir, unicamente se utilizo la termoformadora para elevar la temperatura de las muestras de PET reciclado y procesarlas en el rango de 110[grados]C a 198[grados]C para evitar la vitrificacion del material, ya que afecta sus propiedades mecanicas y de proceso. En este rango de temperaturas se aprecia con mucha claridad el efecto de fluencia termica por gravedad, lo cual garantiza tener controlada la presion de trabajo.

[FIGURA 2 OMITIR]

Los datos se obtuvieron suponiendo presion constante, ya que la fuerza aplicada fue la correspondiente al efecto gravitacional; sin embargo, dimensionalmente las muestras pueden cambiar en la seccion transversal. Todas las pruebas se realizaron a temperatura ambiente de laboratorio en el rango de 20[grados]C a 27[grados]C.

RESULTADOS

En los experimentos se registro la temperatura de inicio de la prueba, llamada temperatura ambiente; la temperatura a la que se estudia el termoformado por gravedad del material, denominada temperatura de proceso; el tiempo de calentamiento hasta alcanzar la temperatura de proceso; el tiempo de enfriamiento de las muestras del PET reciclado; y el principal parametro el alargamiento o deflexion, debido a la fluencia termica del material por efecto de la temperatura y de la gravedad. Con la finalidad de proporcionar informacion que incluye los valores de la deflexion bajo estudio, de las 60 muestras estudiadas, en la Tabla 1 solamente se presenta una muestra de cinco de los resultados obtenidos.

En la Figura 3 se presentan algunas muestras deformadas mediante el uso del termoformado. La geometria obedece a que durante la etapa de enfriamiento se coloco sobre un molde similar a un prisma rectangular. Esta geometria se usa por la prescencia de los angulos rectos entre las caras -que son criticos en el proceso de termoformado-, y los resultados que de ahi se derivan permiten garantizar un buen proceso en otras geometrias mas simples.

[FIGURA 3 OMITIR]

En las Figuras 4, 5 y 6 se presentan los resultados correspondientes a deflexiones de 25, 30 y 40 mm, ya que estan en el rango de las deflexiones que permiten desarrollar el proceso obteniendo resultados aceptables en cuanto a tiempo y temperatura. En dichas figuras se observa el comportamiento de la temperatura para obtener el flujo termico por gravedad en conjunto con el tiempo necesario para que se presente dicho efecto. Mediante analisis de dispersion se obtienen las ecuaciones 1, 2 y 3, que representan la proporcionalidad en la variacion de la temperatura de proceso en funcion del tiempo para alcanzar la temperatura de proceso.

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

[T.sub.(25 mm)] = (-0.5153) t + 265.48 1

[T.sub.(30 mm)] = (-0.1835) t + 218.7 2

[T.sub.(40 mm)] = (-0.0297) t + 222.52 3

Las ecuaciones 1, 2 y 3 son una aproximacion de primer orden o lineal, lo cual no se puede valorar todavia y se validara en la siguiente etapa de la investigacion.

En la Figura 7 a) se presenta la relacion de los valores promedio de los resultados obtenidos en cada experimento, entre la temperatura de proceso del PET reciclado y las elongaciones o deflexiones de 25, 30, 35, 40 y 45 mm. Asimismo, en la Figura 7 b) se presenta la relacion entre el tiempo para alcanzar la temperatura de proceso del PET reciclado y las elongaciones o deflexiones.

DISCUSION

El analisis de dispersion de los resultados obtenidos, segun las Figuras 4, 5, y 6, permite obtener las ecuaciones 1, 2 y 3, las cuales sirven como referencia para complementar el estudio mediante simulacion.

En lo que respecta a los valores promedio de las temperaturas de proceso, en la Figura 7 se puede observar que las deflexiones estudiadas se obtienen en el rango de temperatura de 110[grados]C a 198[grados]C, lo que evita la vitrificacion del material. Tambien se observa que el incremento de la deflexion conlleva el incremento del tiempo para lograr cada deflexion. Se corrobora que de manera general para una determinada temperatura la deflexion es proporcional al tiempo de proceso; mientras que para diferentes temperaturas de proceso, a mayor temperatura de proceso, menor sera el tiempo correspondiente.

[FIGURA 7 OMITIR]

CONCLUSIONES

Con base en que la deflexion requerida se puede obtener a diferentes temperaturas, es recomendable utilizar aquella que se encuentre mas alejada de la temperatura de vitrificacion del polimero para evitar modificar las propiedades mecanicas del material. Lo anterior se logra para deflexiones de 25 mm en el rango de 135[grados]C a 176[grados]C; para deflexiones de 30 mm el rango de temperatura recomendable es de 168[grados]C a 193[grados]C; mientras que para las deflexiones de 40 mm, los resultados obtenidos conllevan la posible vitrificacion del material.

Los resultados obtenidos con las ecuaciones 1, 2 y 3 se consideran preliminares, ya que se ajustaron a un comportamiento lineal y su uso solo se recomienda para la obtencion de datos preliminares, asi como una posible estrategia en la reduccion del costo que demanda la parte experimental.

A la fecha, de los resultados obtenidos, unicamente los correspondientes a deflexiones de 25 mm se utilizaron como referencia en la temperatura de proceso inicial para la extrusion de PET reciclado, lo que es de gran utilidad debido a que al inicio no se disponia de dicha informacion para la caracterizacion tecnica del prototipo de la extrusora indicada en Sanchez et al. (2011).

[FIGURA 8 OMITIR]

LITERATURA CITADA

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Carlos Sanchez Lopez (1) *, Carlos Humberto Saucedo Zarate (1), Mario Salvador Esparza Gonzalez (1), Luis Antonio Castaneda Ramos (2)

Sanchez Lopez, C., Saucedo Zarate, C. H., Esparza Gonzalez, M. S., Castaneda Ramos, L. A., Estudio de la fluencia termica de PET reciclado utilizando el proceso de termoformado. Investigacion y Ciencia de la Universidad Autonoma de Aguascalientes. Numero 61: 26-32, enero-abril 2014.

Recibido: 16 de abril de 2013, aceptado: 26 de febrero de 2014

(1) Departamento de Metal Mecanica, Instituto Tecnologico de Aguascalientes.

(2) Departamento de Electrica y Electronica, Instituto Tecnologico de Aguascalientes.

* Autor para correspondencia: drcarlossl@yahoo.com
Tabla 1. Ejemplo de los datos recolectados durante la fase de
experimentacion

         Temperatura   Temperatura     Tiempo de
          ambiente     de proceso    calentamiento
Prueba   ([grados]C)   ([grados]C)       (seg)

21           22            117            206
20           22            122            217
8            25            123            190
6            25            124            244
9            26            126            205

          Tiempo de
         enfriamiento   Deflexion
Prueba      (seg)         (mm)

21            19           30
20            18           25
8             19           30
6             21           45
9             20           35
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Title Annotation:politereftalato de etileno
Author:Sanchez Lopez, Carlos; Saucedo Zarate, Carlos Humberto; Esparza Gonzalez, Mario Salvador; Castaneda
Publication:Investigacion y Ciencia
Article Type:Ensayo
Date:Jan 1, 2014
Words:3068
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