ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES TERMOPLÁSTICOS RECICLADOS EN MOLDEO POR INYECCIÓN.

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1 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES TERMOPLÁSTICOS RECICLADOS EN MOLDEO POR INYECCIÓN. J. López, R. Balart, L. Sánchez, A. Nadal Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Escuela Politécnica Superior de Alcoy. Universidad Politécnica de Valencia Passeig del Viaducte nº Alcoy(Alicante). SPAIN RESUMEN La industria de los materiales plásticos ha experimentado un importante crecimiento durante las últimas décadas. El significativo aumento en la producción de plásticos y generación de residuos ha efectuado un similar incremento de los residuos. La reutilización y el reciclado cada vez desempeñan un papel más importante en una sociedad preocupada por el medioambiente. En este sentido, se ha desarrollado este trabajo cuyo objetivo es conocer las prestaciones de los materiales reciclados transformados por inyección, ventajas, inconvenientes, limitaciones y fundamentalmente comparar sus características en relación a los materiales de origen con el fin de poder definir posibles usos de estos materiales reciclados. En el trabajo se describen los procesos de separación y transformación más relevantes para las diferentes corrientes de residuos plásticos así como una completa caracterización que abarca desde sus propiedades mecánicas hasta las características de los procesos de transformación. Palabras claves Materiales Plásticos, Blends, Propiedades mecánicas 1. INTRODUCCION Uno de los principales problemas que encontramos en la revalorización de los materiales plásticos es la recuperación de aquellos materiales procedentes de los residuos sólidos urbanos. Mientras que los residuos procedentes de actividades industriales presentan una homogeneidad que facilita el proceso de recuperación, los residuos procedentes de recogida selectiva y selección en vertedero presentan grandes variaciones no solo en cuanto a composición sino en su comportamiento reológico, lo que repercute tanto en las propiedades de uso del material, como en las variables de transformación del proceso del material. En el presente trabajo se aborda el estudio de materiales plásticos procedentes urbanos, donde se ha realizado diferentes procesos de separación. A partir de estas fracciones recogidas se realizan diferentes mezclas mediante extrusión analizándose las propiedades mecánicas obtenidas. El objetivo del trabajo es conocer las posibilidades y limitaciones que podemos encontrar en sistemas de recuperación relativamente sencillos y por tanto sistemas transferibles a empresas de pequeño y mediano tamaño que son uno de los principales motores en el sector de la recuperación de materiales plásticos. 2. EXPERIMENTAL Materiales Los materiales empleados son Polietileno, Polipropileno, Polivinilo de Cloruro y Poliestireno recuperado suministrado por la empresa de reciclado ATECO S.A. 769

2 López, Balart, Sánchez, y Nadal Equipos de transformación. Extrusora Bandera, husillo nitrurado de 3 mm de diámetro y relación L/D 2. Tallarína Mateu Sole de cuchillas rotativas Inyectora Mateu Sole 275/75 Equipos de Caracterización. Calorimetro Diferencial Mettler DSC 2 Balanza Termogravimetrica-DTA Mettler Máquina Universal de Ensayos Ibertest Elib 5 Equipo Impacto Charpy JBA. 3. RESULTADOS Y DISCUSION Previamente al estudio de las propiedades mecánicas de los materiales a recuperar, se trabajo en el análisis de diferentes mezclas de residuos plásticos procedentes de basuras domesticas sin tratar. De estos residuos se elimino los residuos procedentes de Poliestireno expandido y de PET, fácilmente identificables a simple vista. Se realizo la separación por flotación en agua, obteniéndose dos fracciones, una compuesta por poliolefinas (PE y PP) y otra compuesta por materiales plásticos estirénicos y polivinilo de cloruro. Las proporciones obtenidas se muestran en la tabla 1 Tabla 1. Porcentaje de Poliolefinas obtenidas en muestras procedentes de residuos urbanos Muestra % Poliolefinas Media 48.4 A partir de este resultado se decidió trabajar en dos tipos de blends; aquellos formadas a partir de poliolefinas y aquellas formadas por Poliestireno y PVC. Mezclas de Poliolefinas Se realizaron mezclas de HDPE y PP recuperado que cubrieran todo el rango de proporciones. Para la realización de las mezclas se utilizaron las siguientes condiciones de extrusión Tabla 2. Condiciones de extrusión para las mezclas de poliolefinas Zona de Extrusión Temperatura (ºC) Husillo (1) 17 Husillo (2) 175 Zona de Filtro 185 Boquilla 195 Estos nos permite la obtención de granza y su posterior inyección para obtener las probetas de tracción e impacto. Previamente a ello comprobamos la composición real de las mezclas, y para ello, mediante calorimetría diferencial, determinamos el pico de fusión del 77

3 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos polipropileno, lo que nos permite relacionarlo con el pico de fusión del polipropileno en solitario, al que se le asigna un valor medio de 72 J/g. La buena separación de los picos de fusión (figura 1) permite obtener una buena linealidad a lo largo de todo el rango de composición. (figura 2). Estas medidas nos permiten comprobar la validez de la mezcla y por otra parte pueden ser utilizadas para conocer la composición de mezclas de composición no conocida [1]. ^exo 1 mw Integral normalizada Pico -424,96 mj -44,73 J/g 116,15 ºC Integral normalizada Pico -224,36 mj -23,62 J/g 164,54 ºC Integral normalizada Pico -194,5 mj -2,47 J/g 169,5 ºC Integral normalizada Pico -511,13 mj -53,8 J/g 112,78 ºC ºC Figura 1. Curva calorimétrica de una mezcla PP/HDPE 8 7 Calor de Fusión (J/g) % Polipropileno Figura 2. Representación del calor de fusión frente al porcentaje de Polipropileno Una vez realizada las mezclas señalizaron las propiedades a tracción, observándose una variación en la resistencia a tracción propia de blends compatibles [2] y que podemos describir a partir del modelo de cajas equivalentes (Equivalent Box Model). En este modelo podemos considerar que la resistencia a la tracción de una blend de materiales poliméricas como la suma de tres factores, dos debidos al material, y un tercero debido a la unión entre ambos: 771

4 López, Balart, Sánchez, y Nadal ( σ υ1 p + σ 2υ p ) σ s s σ b = A υ (1) Existen dos casos limites para el calculo de la resistencia en blends, y es el de asignar el valor de A = para mezclas incompatibles y el valor de A=1 para mezclas compatibles. Los volúmenes de ambas fracciones utilizados en el modelo se pueden calcular del volumen parcial de cada componente, utilizando los exponentes universales que proponen la teoría de la precolación: ( υ υ ) T 1cr υ p = (2) ( 1 υ1 cr ) Para un dominio discreto de estructuras tridimensionales los valores de T asignado es de 1,8 y el del volumen critico de 1,6. A partir de estos valores, y utilizando el valor de máxima compatibilidad, A=1, nos encontramos con una buena predicción del comportamiento mecánico del blend a partir del modelo de cajas equivalentes, tal como se puede observar en la figura 3 Resistencia a la tracción (N/mm2) ,2,4,6,8 1 Valores Reales EBM Fracción de Polipropileno Figura 3. Variación de la resistencia a la tracción con la composición de la mezcla y comparación con el modelo teórico Este tipo de comportamiento se refleja también en otras propiedades mecánicas como puede ser el modulo de Elasticidad (Figura 4). Estos resultados son los esperados para dos materiales compatibles, y por tanto en el caso de la recuperación de estos materiales conjuntamente no cabria esperar problemas siempre que no trabajemos en la zona de composición del 5 %, ya que aquí encontramos importantes variaciones en las propiedades mecánicas con una variación pequeña de la composición, como se puede observar en los valores de alargamiento a la rotura 772

5 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos Modulo de elasticidad (N/mm2) % Polipropileno Figura 4. Variación del modulo de elasticidad a tracción con la composición de la mezcla % Al ar ga mi en to a la rot ur % Polipropileno Figura 5. Variación del alargamiento a la rotura con la composición de la mezcla. Mezclas de PVC y Poliestireno A diferencia del caso anterior, donde existía una compatibilidad entre los materiales de la mezcla, en este caso partimos de materiales incompatibles, y en el caso del PVC muy sensible a la degradación por la temperatura, por lo que las condiciones de extrusión más suaves[3]. Tabla 3. Condiciones de extrusión para las mezclas de PVC/PS Zona de Extrusión Temperatura (ºC) Husillo (1) 13 Husillo (2) 14 Zona de Filtro 14 Boquilla

6 López, Balart, Sánchez, y Nadal Estos nos permite la obtención de granza para su posterior inyección. En este caso y para conocer el porcentaje real de la mezcla no podemos recurrir a los calores de fusión debido a que ambos materiales son amorfos. Para su análisis empleamos la termogravimetría, determinando la perdida de HCl que se produce entre los 2-3ºC. A partir del desprendimiento de clorhídrico podemos determinar la presencia total de PVC en la mezcla, ya que este representa el 58,4 % en peso de la formula del monómero de cloruro de vinilo [4] % Perdida de Peso Temperatura (ºC) Figura 6. Curva termogravimétrica de una mezcla PVC/PS % PVC Teorico % PVC Calculado Figura 7. Representación de la relación entre el PVC determinado y el introducido en las mezclas calculado a partir de los datos de termogravimetría La incompatibilidad de las mezclas obtenidas se manifiesta en la variación irregular de las propiedades mecánicas de las mezclas obtenidas, ya que no se produce una situación intermedia como en el caso anterior, sino por el contrario las propiedades de las mezclas no mejoran las propiedades de los materiales de inicio (figura8) Puesto que los materiales presentan incompatibilidad se incorporo plastificante (DOP) con el fin de mejorar el proceso, actuando en dos sentidos, como lubricante y como 774

7 VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos compatibilizador de los dos materiales. El porcentaje elegido es del 3% del contenido en PVC. Los resultados muestran una mejoría tanto en las propiedades finales de la mezcla como en la compatibilidad de la mezcla, sobre todo en las propiedades de impacto. Modulo de elasticidad (N/mm2) % PVC Figura 8. Variación del modulo de elasticidad a tracción con la composición de la mezcla 7 Energia de Rotura Kj/m Sin Plast. Con Plast % HIPS Figura 9. Variación de la energía de rotura para mezclas HIPS/PVC con y sin plastificante 4. CONCLUSIONES El comportamiento mecánico de los materiales recuperados a partir de residuos plásticos urbanos va a depender de aquellos tratamientos de separación previos que realicemos. La separación mediante flotación en agua es una alternativa viable tanto técnicamente como económicamente, y conduce a dos fracciones con propiedades completamente diferentes. 775

8 López, Balart, Sánchez, y Nadal En aquella fracción con densidad menor que uno, nos encontraremos con mezclas de poliolefinas, compatibles entre ellas, y en las que no encontraremos problemas en el proceso de recuperación. No obstante, para obtener un material con unas propiedades estables es conveniente el trabajo por debajo de los valores de volumen critico que nos predice el modelo de cajas equivalentes. Por el contrario, la fracción con densidad mayor que uno, al incorporar los derivados estirénicos y el cloruro de vinilo, nos originara problemas en el proceso de reciclado, asi como fenómenos de incompatibilidad conducente a unas propiedades mecánicas relativamente bajas. La incorporación de plastificantes nos mejoraran tanto el proceso de recuperación como la propia compatibilidad de las mezclas. 5. AGRADECIMIENTOS Los resultados de este trabajo han sido financiados por el programa de grupos emergentes de la Universidad Politécnica de Valencia dentro del proyecto Estudio de blends de Materiales Plásticos 6. REFERENCIAS 1. J. López, R. Balart, L. Sánchez y A. Nadal. Polymer Analysis and Degradation. Nova Science Publishers Inc., New York, R. Navarro, A. Jiménez, J. López, JM Kenny. Caracterización mecánica y reólogica de mezclas de polipropileno reciclado y aditivos elastoméricos. Archipol (I Simposio Binacional de Polímeros Argentino-Chileno)Mar de Plata, Argentina, , A. Nadal, R. Navarro, López J., D. García. Influence of some factors in recuperation of Polystyrene with high quality. COMAT 21 Mar de Plata, Argentina, , Jiménez,A., Berenguer,V., López,J., Sánchez,A. Thermal degradation study of poly(vinyl chloride):kinetic analysis of thermogravimetric data J. App.Polym.Sci., 5, ,