Influencia del contenido y naturaleza de las fibras de refuerzo en la obtención n de de polietileno de alta densidad reciclado

Transcripción

1 Influencia del contenido y naturaleza de las fibras de refuerzo en la obtención n de extruídos de polietileno de alta densidad reciclado V. Amigó, P. Díaz, C. M. Antolinos, O. Sahuquillo Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, España R. Llorens, F. Martí Instituto Tecnológico del Plástico - España AIMPLAS, Valencia, 1

2 Antecedentes La aplicación de plásticos reciclados es aún escasa en ciertos servicios debido a sus limitadas propiedades mecánicas. Un método ampliamente extendido para compensar la pérdida de propiedades originales inherente al reciclado de plásticos es la introducción de refuerzos fibrosos para inducir nuevas propiedades mecánicas. Las fibras naturales reúnen, además de su biodegradabilidad y baja densidad, otros valores como su abundancia y reducido coste. Pero también presentan inconvenientes como la baja resistencia térmica de los materiales compuestos resultantes y la baja adhesión entre las dos fases mezcladas. En este último aspecto influye, sobre todo, la incompatibilidad provocada por la diferente naturaleza de ambos componentes, hidrofílica en el caso de las fibras e hidrofóbica en el caso de las poliolefinas. Esta problemática se puede solventar en gran medida secando las fibras antes de su procesado y adicionando compatibilizantes que mejoren la cohesión en la interfase. 2

3 Objetivos Fabricación y análisis de posibles productos derivados de materiales compuestos desarrollados a partir de poliolefinas recicladas con vistas a su comercialización. En concreto, se obtendrán perfiles extruídos basados en un polietileno de alta densidad reciclado (RHDPE) reforzado con diferentes proporciones de fibras vegetales residuales de cáñamo, algodón o sisal. 3

4 Desarrollo Experimental Fibras procedentes de residuos de fabricación: Sisal suministrado por Hilaturas La Balanza, España. Cáñamo por Profillin, Bélgica, y Algodón por Alcocertex S.L., España. Peletización de las fibras mediante una prensa de matriz plana Amandus KAHL Aspecto de las fibras de sisal utilizadas en la investigación. a) en estado de suministro, b) después de la peletización. 4

5 Desarrollo Experimental La longitud media de 200 fibras analizadas al azar y que ha resultado ser sisal 18 mm, cáñamo 11 mm y algodón 28 mm. Para favorecer la compatibilidad, las fibras fueron sometidas a un proceso de secado ligero a 90 ºC durante 14 h para reducir al máximo su humedad. El polietileno de alta densidad reciclado (RHDPE) ha sido suministrado por Eslava Plásticos (España) y se le ha adicionado, a fin de favorecer su cohesión con las fibras, un 5% en peso de polietileno de alta densidad modificado con anhídrido maleico (Bondyram 5001, Polyram Ram-On Industries, Israel). El material compuesto se obtiene mezclando la matriz polimérica con distintas proporciones de fibra, más concretamente, 30% de sisal, 20 y 30% de cáñamo y 30 y 40% de algodón. 5

6 Desarrollo Experimental Obtención del compound: doble husillo co-rotativa LEISTRITZ ZSE 27 MAXX 44D en el intervalo de temperatura ºC y con velocidad de 150 rpm. Se empleó una configuración de husillo de cizalla media para evitar degradar las fibras. Los perfiles se fabricaron con una extrusora mono-husillo (Dr. COLLIN L/D = 30, perfil de temperatura de 160 a 190 ºC, velocidad = 40 rpm) empleando un cabezal rectangular hueco de sección 30 x 20 mm y 4 mm de espesor. 6

7 Desarrollo Experimental Los ensayos mecánicos se realizan en una máquina universal de ensayos INSTRON 4204 ajustándose, a ser posible, a especificaciones normalizadas. Para los ensayos de flexión se emplea el método de tres puntos (distancia entre apoyos 64 mm, radio empujador de 12 mm, radios de apoyo de 12 mm, velocidad de cruceta 1 mm/s) Para los ensayos de compresión se emplearon discos cilíndricos de 50 mm de diámetro (velocidad de cruceta 5 mm/s, longitud 30 mm) A B 7

8 Desarrollo Experimental Caracterización microestructual: Microscopio Óptico, Microphot FX de Nikon Inc. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), JSM 6300 de JEOL Ltd. equipado con un detector para energías dispersivas de rayos X INCA de Oxford Instruments Ltda A B Probeta inyectada Probeta extruida 8

9 Resultados Resistencia a Flexión F F B L B L H h e H h b e b ORIENTACIÓN O1 ORIENTACIÓN O2 EXTRUSIÓN Orientaciones ensayadas de los perfiles 9

10 Resultados Resistencia a Flexión Simulación de ensayo de flexión transversal sobre las paredes laterales del perfil extruído a partir de la aplicación de un esfuerzo de compresión. 10

11 Resistencia a Flexión Resultados Límite elástico a flexión longitudinal y transversal LE F (MPa) LE C (MPa) O1 23,5 0,7* 7,9 2,4 SISAL 30% FLEXIÓN longitudinal O2 51,5 7.,2 6,4 0,7 O1 17,2 3,9 FLEXIÓN transversal (COMPRESIÓN) 9,3 3,2 20% CÁÑAMO O2 33,7 2,1 10,9 3,.3 O1 22,0 0,8 9,5 0,9 30% O2 36,9 3,3 6,3 0,7 O1 14,2 1,3 5,0 0,9 30% ALGODÓN O2 21,2 2,4 3,3 0,7 O1 6,4 0,1 4,8 0,3 40% O2 28,4 1,5 3,4 0,2 11

12 Resultados Durante el ensayo de flexión longitudinal, los perfiles sufren una deformación parcialmente recuperable. GRIETA Deformación y agrietamiento producidos sobre un perfil extruído de RHDPE reforzado con un 30% de fibras de sisal y ensayado a flexión longitudinal. 12

13 Resultados Resistencia a Flexión longitudinal 60 Límite elástico a flexión (MPa) O1 O2 30 sisal 20 cañamo 30 cañamo 30 algodón 40 algodón 13

14 Resultados Resistencia a Flexión transversal 12 Resistencia máxima (MPa) O1 O2 30 sisal 20 cañamo 30 cañamo 30 algodón 40 algodón 14

15 Resultados Gráfica comparativa para el valor del Límite Elástico a flexión (LEF) entre perfiles extruídos (orientación O2) y probetas inyectadas. FLEXIÓN longitudinal LE F (MPa) SISAL inyectado SISAL extruído O2 CÁÑAMO inyectado CÁÑAMO extruído O2 ALGODÓN inyectado ALGODÓN extruído O Fibra (% en peso) 15

16 Resultados Módulo de elasticidad efectivo a flexión (Eeff) determinado sobre probetas planas recortadas a partir de los perfiles extruídos. FLEXIÓN longitudinal Eeff (MPa) SISAL inyectado SISAL extruído CÁÑAMO inyectado CÁÑAMO extruído ALGODÓN inyectado ALGODÓN extruído RHDPE Fibra (% en peso) 16

17 Resultados F Micrografía óptica (x10) de la muestra de algodón ensayada a flexión longitudinal donde se observa colapso de poros allí donde se ha aplicado el esfuerzo. 17

18 Conclusiones Se ha extruído piezas de perfilería a partir de mezclas de un polietileno reciclado de alta densidad (RHDPE) y diferentes proporciones de residuos de fibras vegetales de tres tipos, cáñamo, algodón y sisal, permitiendo la reutilización de plásticos reciclados y residuos agroindustriales. Los procesos de extrusión implican una pérdida de propiedades tanto macro y microestructurales como resistentes respecto a los de inyección, lo que puede condicionar futuras aplicaciones de los materiales compuestos en cuestión. 18

19 Conclusiones Los ensayos de flexión longitudinal muestran una reducción de las propiedades resistentes respecto a las probetas inyectadas. Esta resistencia máxima a flexión muestra un incremento al aumentar la proporción de fibra. De los tres tipos de fibras, el que proporciona a la matriz plástica una menor resistencia a flexión longitudinal es el algodón mientras que sisal y cáñamo proporcionan valores muy parecidos. Teniendo en cuenta el alto contenido en celulosa y bajo en hemicelulosa que caracteriza en términos generales a las fibras de algodón es de esperar que éstas den mejor resultado en esfuerzos a tracción. 19

20 Conclusiones Se ha intentado una primera aproximación de flexión transversal aplicando esfuerzos de compresión. Los resultados obtenidos indican que los efectos de pandeo en este tipo de ensayos son esenciales en el tratamiento de los datos. La unión entre fibras y matriz de polietileno de alta densidad es muy buena hasta contenidos del 50% de fibras. Contenidos superiores no permiten un rellenado completo del molde, al menos en los procesos de inyección, por lo que el polímero no es capaz de mojar completamente a las fibras, por lo que las propiedades disminuyen notablemente. 20

21 Agradecimientos Al Ministerio de Medio Ambiente por su soporte a través del proyecto A581/2007/ enmarcado en el Programa Nacional de Ciencias y Tecnologías Medioambientales del Plan Nacional de I+D+i. Al Programa CYTED por su apoyo en movilidad a través de la Acción de Coordinación de Proyectos de Investigación 307AC

22 Muchas gracias por su atención 22