Grupo: GR1, Grupo 6Integrantes: Pablo Ruiz, Edison QuimbiambaFecha: 13/05/2015

ESCUELA POLITCNICA NACIONALFacultad de Ingeniera MecnicaCiencia de Materiales I

Caracterizacin mecnica de espumas de polietileno y Caracterizacin mecnica de materiales compuestos de PLA + polvo de bambResumen El objetivo de realizar las caracterizaciones mecnicas a estos materiales se da para conocer las propiedades que se dan en cada uno de estos materiales, adems de observar las ventajas, desventajas y aplicaciones de estos materiales compuestos. De esta manera obtendremos conocimientos sobre el proceso de fabricacin de espumas de polietileno y materiales compuestos de PLA + polvo de bamb, lo que nos beneficiar a largo plazo con nuevos conocimientos acerca de estos materiales.

Mechanical characterization of polyethylene foams and Mechanical characterization of bamboo powder PLA + bamboo powder

AbstractThe purpose of performing the mechanical characterization of these materials is given for the properties that occur in each of these materials, in addition to observing the advantages, disadvantages and applications of these composites. In this manner knowledge about the manufacturing process of polyethylene foams and composites PLA + obtain bamboo powder, which will benefit us in the long term with new knowledge about these materials.

1. Introduccin Las caractersticas mecnicas se definen como la capacidad que tiene un material a resistir, transmitir o soportar variables de energa mecnica.La caracterizacin mecnica se entiende como calificar o representar las caractersticas que presenta un material, para lo cual, se realizan diferentes tipos de ensayos para determinar las mismas que son:Traccin Fluencia Fractura Dureza.Estos cuatro tipos de ensayo que se realizan son los que caracterizan de mejor manera a un material como lo son, las espumas de polietileno y los materiales compuestos de PLA mas polvo de bamb.2. PolmerosLa palabra polmero significa, literalmente, muchas partes. En este sentido, puede considerarse como un material polimrico slido aquel que contiene mltiples partes o unidades enlazadas qumicamente y que estn unidas entre s para formar un slido. En este captulo se estudian algunos aspectos de la estructura, propiedades, procesado y aplicaciones de dos materiales polimricos importantes en los procesos de fabricacin industrial: plsticos y elastmeros.2.1. Polietileno (PE) El polietileno (abreviado PE) es el plstico ms comn. La produccin anual es de aproximadamente 80 millones de toneladas mtricas. Su uso principal es el de embalajes (bolsas de plstico, lminas y pelculas de plstico, geo membranas, contenedores incluyendo botellas, etc.) Muchos tipos de polietileno son conocidos, pero casi siempre presenta la frmula qumica (C2H4)nH2. El PE es generalmente una mezcla de compuestos orgnicos similares que difieren en el valor de n. (Annimo, Tecnologa de los Plsticos, 2012)

2.2. Estructura qumica y sntesis Una molcula del polietileno no es nada ms que una cadena larga de tomos de carbono, con dos tomos de hidrgeno unidos a cada tomo de carbono.

Figura1: Estructura del polietileno

2.3. Espuma de PolietilenoEl Polietileno expandido o espuma de polietileno es una poliolefina de base polietileno. Para obtener este tipo de espumas, se utiliza un gas para su hinchado, usualmente isobutano. De esta forma se obtiene un polietileno expandido sin transformar la estructura qumica del polietileno y esto facilita su reciclabilidad.En la actualidad se estn desarrollando espumas de polietileno degradables, conocidas como Bio-polietileno, mediante la conversin y reformado de productos vegetales.Se fabrica con densidades que van desde 15 kg/m3 hasta 140 kg/m3. Su conductividad trmica es de 0.52 m2.K/W.2.4. Caractersticas del Polietileno (ASKELAND, 2004)2.4.1. Polietileno de Baja densidad (PE LD)

Temperatura de Fusin 98 - 115 C Temperatura de Transicin Vtrea -90 a -25 C Temperatura de Procesamiento 149 232 C Estructura Cristalina Ortorrmbica Resistencia a la tensin 3000 psi Mdulo de Elasticidad 40 ksi Temperatura de Deflexin 40 C se define por un intervalo de densidad de 910-940 kg/m3.

2.4.2. Polietileno de Alta densidad (PE HD)

Temperatura de Fusin 130 -137 C Temperatura de Transicin Vtrea -117 C Temperatura de Procesamiento 177- 260 C Estructura Cristalina Ortorrmbica Resistencia a la tensin 5500 psi Mdulo de Elasticidad 180 ksi Temperatura de Deflexin 40 C densidad mayor o igual a 941 kg/m3.

2.5. Reciclaje del polietilenoFigura2: Smbolo del Polietileno de Alta densidad reciclable.Figura3: Smbolo del Polietileno de Baja densidad reciclable.

2.6. Aplicaciones Industriales del Polietileno

2.6.1. PELD: Bolsas de todo tipo: supermercados, boutiques, panificacin, congelados, industriales, etc.; Pelculas para agropecuaria; Recubrimiento de acequias; Envasado automtico de alimentos y productos industriales: leche, agua, plsticos, etc.; Stretch film; Base para paales desechables; Bolsas para suero; Contenedores hermticos domsticos; Bazar; Tubos y pomos:cosmticos,medicamentosyalimentos; Tuberas para riego.

2.6.2. PEHD: Envases para:detergentes,leja, aceites automotor,champ,lcteos; Bolsas para supermercados; Bazar y menaje; Cajones para pescados, gaseosas, cervezas; Envases parapintura,helados,aceites; Tambores; Tuberas para gas, telefona, agua potable, minera, lminas de drenaje y uso sanitario; Bolsas tejidas; Guas de cadena, piezas mecnicas. Tambin se usa para recubrir lagunas, canales,fosas de neutralizacin, depsitos de agua, recubrimientos interiores de depsitos, plantas de tratamiento de aguas, lagos artificiales, canalones de lmina, etc.; Biberones para beb; Juguetes; Cubos.

2.7. Polietileno espumado En su forma de espuma, el polietileno se utiliza en la amortiguacin de vibraciones, de envasado y el aislamiento, como un componente barrera o de flotabilidad, o como material para la amortiguacin. La espuma de polietileno se ve con mayor frecuencia como un material de envasado. La espuma de polietileno es flotante, por lo que es popular para usos nuticos. Muchos tipos de espuma de polietileno estn aprobados para uso en la industria alimentaria. Se encuentra en muchos tipos de envases, la espuma de polietileno se utiliza para el embalaje de muebles, componentes informticos, electrnicos, bolas de boliche, productos de metal y otros a fin de evitar raspaduras por golpes originados en el transporte.

2.8. Fabricacin (Ortega, 2012)La espuma de polietileno, se fabrica por extrusin en diferentes densidades, ofrece absorcin al impacto y es ligera. Considerando el valor del producto, es posible disear un empaque e inmovilizar el equipo internamente con espuma de polietileno para evitar golpes y vibraciones, considerando la inmejorable absorcin al impacto de este material.

2.9. FABRICACION POR EXTRUSION El pelet es alimentado por medio de una tolva en un extremo, posteriormente, el polmero fundido (o en estado ahulado) es empujado de manera continua por la accin giratoria concntrica de un tornillo sinfn (llamado tambin Husillo o Tornillo de Arqumedes) que gira en una cmara a temperaturas controladas llamada can, con una separacin milimtrica entre ambos elementos. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos perfiles. Tambin se emplea este procedimiento para la fabricacin de tuberas, inyectando aire a presin a travs de un orificio en la punta del cabezal. Regulando la presin del aire se pueden conseguir tubos de distintos espesores.

2.10. EnsayosLos ensayos que se realizaran al polietileno para realizar su caracterizacin mecnica son: (Guerra, 2009)

Ensayo de ndice de fluidez (ASTM D-1238). Ensayo de Resistencia al impacto (ASTM D-256). Ensayo de Tensin y elongacin (ASTM D-638).

3. Acido poli-lctico Es un polister aliftico termoplstico derivado de recursos renovables, de productos tales como el almidn de maz, caa de azcar. Se pueden biodegradar bajo ciertas condiciones, tales como la presencia de oxgeno, y es difcil reciclar. Es un polmero biodegradable derivado del cido lctico. Es un material altamente verstil que se hace a partir de recursos renovables al 100%, como son el maz, la remolacha, el trigo y otros productos ricos en almidn. Este acido tiene muchas caractersticas equivalente e incluso mejores que muchos plsticos derivados del petrleo, lo que hace que sea eficaz para una gran variedad de usos. (Anonimo, Tecnologia de los plasticos )

3.1. Estructura qumica y sntesis

El punto de partida para la obtencin del PLA es el cido lctico. El cido lctico es un cido orgnico con tres carbonos: en un terminal el tomo de carbono es parte del grupo carboxlico; el otro tomo de carbn terminal es parte de un metlico; y el tomo de carbn central est unido a un grupo alcohol. Existen dos esteros ismeros del cido lctico.

Annimo. Tecnologa de los plsticos.3.2. Propiedades fsicas y qumicas del PLA

Es polmero permanente e inodoro. Es claro y brillante como el poli estireno (utilizado para la fabricacin de juguetes y bateras). Resistente a la humedad y a la grasa. Caractersticas de barrera y olor similares al plstico polietileno tereftalato, usado para bebidas no alcohlicas y para otros productos no alimenticios. La fuerza extensible y el mdulo de elasticidad del PLA son tambin comparable al polietileno. Pero ms hidrofilico que el polietileno tiene una densidad ms baja. Es estable a la luz uv dando como resultado telas que no se decoloran. Su inflamabilidad es demasiado baja. Tiene una cristalinidad alrededor del 37%. Temperatura de traccin vtrea entre 60-65%. Temperatura de fusin entre 173-178c. Mdulo de elasticidad entre 2,7 a 16Gpa. Resistencia al calor entre 110c Puede tener diversas caracterizaciones mecnicas dependiendo del proceso de fabricacin seguido.

Tabla 1. Propiedades fsicas y qumica del PPLA

(HENTON D & LUND J, 2005)3.3. Ensayos Los ensayos que se realizaran para la caracterizacin del PLA son: Ensayo de traccin bajo la norma ASTM 3039-08 Flexin bajo la norma ASTM D7264-07. Impacto bajo la norma ASTM D256-10(Mendoza Quiroga & Velilla Diaz, 2011)

3.4. Caractersticas biodegradables del PLA El mtodo ms importante de degradacin del PLA es la hidrolisis. Bajo condiciones secas el PLA puro puede durar ms de 10 aos. El cambio en las propiedades del PLA durante la hidrolisis por varios autores principalmente para el desarrollo de aplicaciones en diferentes industrias del PLA principalmente en la industria medica con la finalidad de observar el comportamiento del material frente la degradacin y poder disear biomateriales para la insercin. (ROBY, 2001).Tabla 2. Caractersticas biodegradables del PLA

(HENTON D & LUND J, 2005)

3.5. Proceso de fabricacin Su proceso implica la extraccin de los azucares (principalmente dextros, pero tambin de la glucosa y de la sacarosa) del almidn de la remolacha o del trigo y despus fermentarlo con cido lctico. El cido lactide que se purifica y se polimeriza (mtodo de apertura de anillo) a acido poli lctico sin la necesidad de solventes.Como acido fermentado el 99,5% L-ismeros y 0.5% D-ismero.Entre los mtodos ms comunes en la industria se tiene: Secado y extruido: como paso previo al procesamiento del PLA. Moldeo de inyeccin: para a elaboracin de elementos con geometras complejas y que necesitan un alto grado de precisin. Moldeo por soplado y estiramiento: utilizado para la fabricacin de botellas biodegradables Moldeo de pelcula y laminado: para la elaboracin de lminas de bajos espesores y filmes para el empaquetamiento de productos. Soplado de pelcula: ara producir filmes de PLA con orientacin biaxial que produce lminas y filmes de PLA con mejores propiedades mecnicas. (HENTON D & LUND J, 2005)

3.6. Aplicaciones del Pla Es un polmero verstil que tiene muchas aplicaciones incluyndose en la industria textil, en la industria media y sobretodo en la del empaquetamiento.Se tiene 4 tipos de cido poli lcticos disponibles para empaquetar, cada uno de ellos con caractersticas especiales. 4041D; Gran estabilidad hasta los 130c. 4031d: tambin se utiliza a gran temperatura hasta 130c. 1100D: se utiliza para hacer tazones, las cajas de las papas fritas, empaquetado de congelado vegetal. 2000D: se utiliza en envases transparentes de alimentos, para fabricar tazas, envases de leche.

Dentro de una industria textil, son conocidas las aplicaciones de Pl para la creacin de telas empleadas en las tapiceras, la elaboracin de trapos y la confeccin de toldos y cubiertas a la luz u.vEl PLA se ha convertido en un material muy importante en la industria mdica, donde lleva funcionando ms de 25 aos. Por su caractersticas el PLA se ha convertido en un candadito ideal para los implantes en los hueso o en los tejidos. (Ciruga Facial, de pecho, abdomen). (Anonimo, PLA, http;//www.esis.uva.es/~biopolimeros/alberto/pla.htm)

3.7. Ventajas La produccin de las fibras del PLA requiere entre 20 -50 % menos recursos fsiles que la produccin de fibras convencionales. El beneficio neto es una reduccin de las emisiones de efecto invernadero. La produccin de polmeros del PLA requiere un uso ms bajo del agua que algunos otros polmeros petroqumicos. Al final de su vida til, los productos del PLA pueden ser reciclados nuevamente en cido lctico e incluso compostados para formar parte de abonos comerciales, devolviendo su valor orgnico al suelo de donde proceden.

3.8. Desventajas En su fase de descomposicin biolgica este polmero emite CO2 y CH4. Son dos de los gases invernaderos que se quieren sus emisiones por los comits internacionales.Se necesita de los combustibles fsiles para producir el PLA aunque estos fsiles no se usan en el polmero directamente, son necesarios el proceso de cosecha de las plantas y la produccin qumica.

4. Bamb El bamb es una planta que ha interpretado un papel importante en el desarrollo de determinadas culturas con las que ha convenido mutuamente. Culturas como la asitica han empleado el bamb en reas tan diversas como la construccin, la alimentacin e incluso en la confeccin de tela y papel.Debido a la gran diversificacin de especies y al amplio espectro de usos que giran en torno al bamb, algunas regiones donde no era comn su crecimiento se encuentran introduciendo el cultivo como una alternativa ante la creciente necesidad de uso de fuentes renovables.4.1. Ensayos Los ensayos que se realizaran al bamb para realizar su caracterizacin mecnica son: Ensayo de traccin (Norma ASTM D-638 )

4.2. PROPIEDADES MECANICAS DEL BAMBUEl bamb es uno de los materiales ms usados desde ms remota antigedad por el hombre para aumentar su comodidad y bienestar. En el mundo de plstico y acero. El bamb contina aportando su centenaria contribucin y aun crece en importancia. Los programas internacionales de cooperacin tcnica han reconocido las cualidades excepcionales del bamb y estn realizando un amplio intercambio de variedades de esa planta y de los conocimientos relativos a su empleo.Aunque todava no existe ningn cdigo, ya se hicieron varios ensayos que no permiten conocer las propiedades mecnicas del bamb, como fuerza de rotura, deformaciones en el lmite proporcional y recomendaciones para fuerzas admisibles.Los distintos resultados estn variados en sus especificaciones y en sus valores, pero ya se puede concluir un promedio de resistencias mnimas de todas las investigaciones. (El bambu: Recursos renovanles y sostenibles para el diseo y construcion)

EL BAMBU EN COMPARACION

MATERIAL Resistencia de diseo (R )Kg/cm2Masa por volumen (M)Kg/cm2Relacin de resistencia (R/M)Kg/cm2Mdulo de elasticidad(E )Kg/cm2Relacin de rigidez(E/M)Kg/cm2

Concreto 8224000.03212740053

Acero 163078000.209214000274

Madera766000.127112000187

Bamb 1026000.17020300340

Tabla 3. Propiedades mecnicas del bamb en comparacin con otros materiales de construccin.

Resistencia a la compresin Kg/cm2825

Resistencia a la flexin Kg/cm2856

Resistencia a cortante paralelo a la fibra Kg/cm223

Mdulo de elasticidad Kg/cm2203873

Resistencia a la tensin Kg/cm22038-3058

Tabla 4. Propiedades mecnicas del bamb.

Propiedades especiales Ligeros, flexibles, gran variedad de construcciones

Aspectos Econmicos Bajo Costo

Estabilidad Baja mediana

Capacitacin requeridaMano de obra tradicional para construcciones de bamb

Equipamiento requeridoHerramientas para cortar y partir el bamb

Resistencia ssmicaBuena

Resistencia a la lluviaBaja

Idoneidad climtica Climas clidos y hmedos

Grado de experiencia Tradicional

Tabla 5. Propiedades especiales del bamb.

4.3. VENTAJAS

Es un material liviano que permite bajar el peso a la construccin. Sus fibras exteriores lo hacen muy resistente a las fuerzas axiales. La relacin entre peso-carga mxima y su forma tubular apto para fuerzas axiales, lo convierten en un material perfecto para estructuras espaciales donde trabajan solamente fuerzas axiales El rpido crecimiento del bamb lo hace econmicamente muy competitivo. La especie absorbe grandes cantidades de energa y admite grandes niveles de flexin. Es un recurso renovable y sostenible Su rpido crecimiento y la alta densidad de plantas por rea significa una productividad muy importante de la tierra y una biomasa considerable. Se utiliza como la planta de reforestacin. Es un importante fijador de dixido de carbono (CO2) Evita la movilizacin de tierra y conserva efectivamente lo suelos.

4.4. DESVENTAJAS Baja resistencia a los lquidos.Baja resistencia al fuego.

5. PLA + Polvo De Bamb

Entre las propiedades fsicas que se quieren modificar al mesclar estos dos materiales, principalmente destaca la resistencia mecnica ya que estas determinaran los posibles usos del nuevo material que se obtendr. Dicho material compuesto tiene como una matriz de PLA y un tamao de partcula que determinara estas propiedades en el material. La combinacin del material polimrico y lignocelulosico dota al compuesto de propiedades fsicas nicas. Por lo general el compuesto orgnico tiende a incrementar su rigidez, la estabilidad termina, la resistencia uv y la maquinabilidad del compuesto mientras que el polmero aporta resistencia a la humedad y a la degradacin.

6. CONCLUCIONES

El polietileno es uno de los materiales ms verstiles que podemos encontrar, adems de poder reciclarlo, su costo es relativamente bajo y su fabricacin se realiza de manera mucho ms sencilla en comparacin con otro tipo de materiales con los que se puede trabajar. Su versatilidad lo convierte en uno de los materiales preferidos para la fabricacin de objetos, adems de ofrecernos una proteccin adecuada en lo que respecta a la proteccin de productos en el transporte al momento de realizar un embalaje.Gracias a la combinacin del Pla con el polvo de bamb, este material podra superar muchos obstculos que tradicionalmente ha sido difcil por parte del bamb, tales como la resistencia a los lquidos, humedad y aumentar en parte la resistencia al fuego. El polvo de bamb es el resultante de la produccin de bamb industrial el cual que se descompone naturalmente.El PLA es un polmero biodegradable hecho de recursos renovables. Y como materia verstil que es, est aumentando su uso en la medicina, en las que diferentes aplicaciones de la industria textil y del empaquetado, principalmente en esta industria est despertando mucho inters por sus excepcionales caractersticas y su biodegradabilidad. El PLA es un polmero que veremos mucho en el fututo por ser una verdadera innovacin en materiales de empaquetamiento.Bibliografa

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