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PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 1
AGRADECIMIENTOS
El autor del presente trabajo deja la constancia de su gratitud a:
Equipo docente: Dr. Pere Mutjé Pujol
Dra. Fabiola Vilaseca Morera
Equipo técnico: Sr. Luís Angel Granda
Sr. Marc Delgado
Sr. Albert Mutjé
Laboratorios LEPAMAP (Laboratorio de Ingeniería Papelera y Materiales Polímeros) de la
Universidad de Girona por prestaciones de equipamientos, materiales y recursos.
2 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
RESUMEN
Los residuos del cartón ondulado “flutting” constituyen una fuente muy importante de fibras
que pueden dar lugar a aplicaciones industriales.
Las fibras lignocelulósicas pueden ser aprovechadas, dadas sus características, como refuerzo
para materiales plásticos compuestos. En este campo, el polipropileno y el polietileno
constituyen uno de los materiales de más amplio consumo, tanto reforzado como sin reforzar.
El polipropileno y polietileno pueden utilizarse bien por motivos económicos, además de
buenas propiedades de rigidez y flexión, o bien reforzado y anclado químicamente con el
refuerzo. Ello permite obtener unas propiedades a tracción y flexión realmente competitivas,
tan competitivas que pueden sustituir en algunas aplicaciones a los materiales reforzados con
fibra de vidrio.
En este estudio, se han utilizado fibras de cartón ondulado “flutting” para la producción de
materiales compuestos de polipropileno y polietileno. El presente trabajo se centra en las
propiedades macroscópicas: resistencia a tracción, flexión e impacto, módulo de Young y
naturaleza de la interfase.
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Índice página
GLOSARIO 5
1. INTRODUCCIÓN 6
2. MATERIALES, EQUIPOS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES 10
2.1. MATERIALES 10
2.1.1. Polipropileno 10
2.1.2. Polietileno de alta densidad 10
2.1.3. Cartón ondulado “flutting” 10
2.1.4. MAPP y MAPE 10
2.1.5. Hidróxido de sodio 10
2.1.6. “Diglyme” 10
2.1.7. “Decalina” 11
2.2. EQUIPOS 11
2.2.1. Desintegrador “Pulcel” 11
2.2.2. Mezclador cinético de alta intensidad “Gelimat “ 12
2.2.3. Trituradora “Retsch 13
2.2.4. Inyectora “Meteor” 13
2.2.5. Cámara climática 14
2.2.6. Estufa 15
2.2.7. Equipo para ensayos mecánicos de tracción y flexión “INSTRON 1122” 15
2.2.8. Equipo para ensayos de impacto Ceast 16
2.2.9. Equipo de caracterización morfológica de fibras “Morfi” Techpap Compact 16
2.2.10. Microscopio electrónico de barrido (SEM) 17
2.3. PREPARACIÓN DE FIBRA 18
2.4. PREPARACIÓN DE PROBETAS DE ENSAYO 19
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Índice página
2.5. ENSAYOS 21
2.5.1. Ensayos a tracción, flexión e impacto 21
2.5.2. Caracterización mecánica 21
2.5.3. Estudio morfológico de fibras 24
3.1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 25
3.1.1. Estudio del efecto de la cantidad de agente de acoplamiento.-
Ensayos con PP 25
3.1.2. Estudio del efecto de la cantidad de refuerzo.-
Ensayos con PP 28
3.1.3. Estudio de composites con matriz HDPE.- Ensayos con HDPE 32
3.1.4. Dimensiones de fibras 35
3.1.5. Examen microscópico 37
3.2. MODELO DE KELLY TYSON 39
3.2.1. Conceptos teóricos 39
3.2.2. Cálculos 42
4. CONCLUSIONES 47
5. BIBLIOGRAFÍA 48
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GLOSARIO
PP Polipropileno
HDPE Polietileno de alta densidad
MAPP Polipropileno injertado con anhídrido maleico
MAPE Polietileno injertado con anhídrido maleico
Diglyme Dietilen glicol dietileter
Decalina Decahidronaftaleno
MPa Mega pascal (106 pascal)
GPa Giga pascal (109 pascal)
E Módulo elástico
a Resistencia al impacto
ε Deformación
σ Esfuerzo
m Metro
mm Milímetro
µm Micrómetro
nm Nanómetro
h Espesor
b Anchura
D Diámetro
d Densidad
P Peso
L Longitud
F Fuerza
A Área
J Julio
kJ Kilojulio
Y Módulo de Young
∆ Incremento
UNE EN Una Norma Española autorizada en el territorio Europeo
ISO Organización Internacional de Normalización
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1. INTRODUCCIÓN
Un material compuesto es un material formado por más de un componente. A nivel
macroscópico el material resultante une las propiedades mecánicas intermedias de las de los
componentes. El material compuesto está formado por una fase continua o matriz que puede
ser de origen metálico, cerámico o polimérico y una fase discontinua o dispersa con una
morfología fibrosa o partículas. La coexistencia de dos fases permite que los esfuerzos que
soporta el material se repartan entre la matriz y las fibras de refuerzo. La buena
homogenización de la fase dispersa es la clave de la obtención de las propiedades mejores
respecto a la matriz sola.
Los derivados de hidrocarburos tales como polietileno y polipropileno pertenecen al grupo
llamado “commodity” [1], ampliamente utilizados en la industria. Sus principales
características como resistencia a tracción, flexión e impacto pueden ser modificadas
añadiendo materiales de refuerzo. Entre los materiales de refuerzo las fibras naturales de
origen vegetal tienen una serie de ventajas inherentes a su naturaleza: bajo coste, baja
densidad, elevada resistencia a tracción y flexión. En este trabajo se propone como refuerzo
las fibras de celulosa procedentes del “flutting” papel reciclado que se utiliza para la
fabricación del cartón ondulado. La idea es atractiva desde el punto de vista de la
sostenibilidad: el coste del material es muy barato, (menos de 15 céntimos/kilo) y además la
recuperación de las fibras supone disminución de la utilización de las fibras vírgenes.
Teniendo en cuenta las pérdidas debido a los procesos de depuración y eliminación de
contaminantes del material reciclado resulta que en la Unión Europea 100 kg de papel y
cartón situado en el mercado y posteriormente reciclado proporcionarían aproximadamente 50
kg de fibras [2].
Las fibras lignocelulósicas son básicamente una matriz amorfa de lignina y hemicelulosa
reforzada con microfibras rígidas de la celulosa cristalina. La celulosa (figura 1.1) es un
polisacárido, una molécula lineal constituida por monómeros de ß-glucopiranosa (C6H10O5)
con un grado de polimerización en torno a 10000. En los materiales compuestos, un
parámetro muy importante para obtener buenas propiedades finales es la interfase fibra-
matriz, ya que las características de partida vienen predefinidas, tales como resistencias
intrínsecas o dimensiones de las fibras. En este sentido, hay que tener en cuenta que los
polímeros de PP y PE tienen naturaleza hidrófoba (apolares) mientras que la celulosa es
hidrófila (polar), por lo tanto, es de esperar que no exista un buen contacto en la interfase
polímero-fibra. Para mejorar el anclaje entre las dos fases se requiere un agente
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compatibilizante. Para el presente trabajo se ha empleado el polipropileno modificado con
anhídrido maleico (MAPP) en el caso de PP, y polietileno modificado con anhídrido maleico
(MAPE) en el caso de HDPE [3]. El añillo del anhídrido maleico se abre con la subida de la
temperatura durante el mezclado y se crean enlaces covalentes y puentes de hidrógeno (figura
1.2) entro los grupos –OH de la celulosa y el anhídrido maleico. Además, la cadena de
polímero injertado con el anhídrido maleico se entrelaza con la matriz polimérica, con lo que
se mejora también la adhesión y el anclaje con la fase polimérica y se facilita la transmisión
de esfuerzos a las fibras. La bibliografía [4] muestra que la densidad de los grupos –OH en las
fibras de la celulosa es de 5.8 unidades por nm2, de los cuales sólo son accesibles el 0.83%,
que son los que se encuentran en la superficie de la fibra. Únicamente esta va ser la cantidad
de grupos –OH que se encuentran en la interfase, y por lo tanto capaces de interaccionar con
el agente compatibilizante utilizado.
En el presente trabajo, la desintegración de fibras (desfibrado o individualización de fibras) se
realiza por dos métodos: mecánico y químico. El primero consiste en una simple trituración
del papel “flutting” con la destructora de papel de oficina y el mezclado posterior en el
mezclador cinético, que proporciona la dispersión de fibras en la matriz. En el caso de la
desintegración química se aplicará el reactivo “Diglyme” (figura 1.3). En la celulosa, los
grupos –OH superficiales crean puentes de hidrógeno entre sí, de manera que las fibras “se
aglutinan”, lo que impide su dispersión. El reactivo “Diglyme” actúa acoplándose a los grupos
–OH y previene la formación de puentes de hidrógeno. Posteriormente, durante el mezclado
en el mezclador cinético, el “Diglyme” se evapora ya que presenta una temperatura de
ebullición de 162°C. El primer método es más rápido y menos costoso respecto al tiempo y
materiales, pero se prevé que la desintegración química suponga mejor dispersión de fibras y
un aumento de la superficie de la interfase polímero- refuerzo y consecuentemente mejores
características del material compuesto.
Figura 1.1 Celulosa
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Figura 1.2 Esquema de acoplamiento de grupos –OH con el anhídrido maleico.
Figura 1.3 “Diglyme”
Estudios anteriores, realizados con materiales compuestos similares [5,6,7], constatan mejores
propiedades del material a una composición de un 40% en peso de refuerzo y un 6% de
MAPP (porcentaje en peso con respecto al refuerzo). Por lo tanto, en este trabajo se preparan
y se ensayan 5 muestras de PP: PP puro, PP con un 40% de fibra y con 0, 3, 6 y 9 % de
MAPP en peso respecto al refuerzo, con el fin de estudiar el efecto del agente de
acoplamiento. Posteriormente, se estudia el efecto de la cantidad de refuerzo preparando dos
muestras de PP con un 30 % y un 50% en peso de fibra, con el porcentaje de compatibilizante
que haya dado mejores resultados. Finalmente, se preparan también tres muestras con matriz
HDPE: HDPE puro, HDPE / 40% de fibra y HDPE / 40% de fibra / MAPE.
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Se estudian también los cambios sufridos por las fibras durante el mezclado, trituración e
inyección. Para ello se realiza un análisis morfológico de las fibras antes y después del
procesado, mediante extracción a partir de una muestra de PP/40 % de fibra (sin agente
compatibilizante MAPP).
Finalmente, mediante la metodología propuesta por Bowyer-Bader se resuelve la ecuación de
Kelly-Tyson, con el fin de evaluar la tensión interfacial entre fibras y matriz y el coeficiente
de la orientación de las fibras en el seno de la matriz. Con ello es posible estimar la resistencia
intrínseca de las fibras de refuerzo en el interior del material compuesto [7].
Por todo ello, los objetivos del presente trabajo son:
1) Preparar las fibras de celulosa a partir del “flutting” de dos maneras: desintegración
mecánica y desintegración química.
2) Obtener mezclas de varias proporciones en peso polímero / fibras con y sin agente de
acoplamiento.
3) Caracterizar el comportamiento de los materiales a tracción, flexión e impacto.
4) Determinar la resistencia intrínseca de la fibra, la tensión interfacial entre las fibras y la
matriz polimérica, la longitud crítica de la fibra y la orientación espacial de las dentro del
material compuesto a través de la ecuación de Kelly-Tyson aplicando la metodología de
Bowyer-Bader.
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2. MATERIALES, EQUIPOS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES
2.1. MATERIALES
2.1.1. Polipropileno
El polipropileno en forma de granza ISPLEN PP 070 G2M fue empleado como matriz
polimérica y ha sido suministrado por REPSOL-YPF (España). La denominación ISPLEN
corresponde al grado de polipropileno sin carga, tanto para los homopolímeros como para los
copolímeros en bloque y al azar, independientemente del tipo de aplicación. Se encuentra en
forma de granza de color blanco semitransparente. Es un homopolímero de alto peso
molecular con la densidad 0,905 g/cm3.
2.1.2. Polietileno de alta densidad
El polietileno de alta densidad en forma de granza semitransparente RIGIDEX HD 5226
suministrado por INEOS (Gran Bretaña) .Es homopolímero de alto peso molecular con la
densidad 0,953 g/cm3.
2.1.3. Cartón ondulado “flutting”
Papel reciclado opaco de la densidad media 0.5-0.8 g/cm3. Proporcionado por Torraspapel SA
(España).
2.1.4. MAPP y MAPE
El propileno injertado con el anhídrido maleico, MAPP, Epolene G-3015 suministrado por
Eastman S.L. (España). El peso molecular promedio es 47000. Se encuentra en forma de
granza de color amarillento semitransparente. El polietileno injertado con el anhídrido
maleico MAPE, E-226-Y, Adquirido en DuPont Co.(Canadá). El peso molecular promedio es
108000, se encuentra en forma de granza semitransparente.
2.1.5. Hidróxido de sodio
NaOH está en estado sólido de pureza 99% suministrado por Scharlau S.L.(España).
2.1.6. “Diglyme”
Dietilen glicol dietil éter, C6 H14 O3, es un líquido transparente de densidad 0,973 g/cm3, punto
de ebullición a 162 °C. Suministrado por Clariant Co.(Alemania).
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2.1.7. “Decalina”
Decahidronaftaleno, es un líquido, mezcla de isómeros C10 H18 de peso molecular 138,25
g/mol y densidad 0,88 g/cm3. Distribuido por Scharlau S.L. (España).
2.2. EQUIPOS
2.2.1. Desintegrador “Pulcel”
El desintegrador semi-industrial “Pulcel”, también denominado como “pulper”, está diseñado
para la preparación de las pastas de fibras. El “pulper” (figura 2.1) está formado por un
depósito con hélice helicoidal, el depósito posee una salida de la carga en la parte interior,
termómetro, regulador de rotaciones, amperímetro y analizador de consumo eléctrico.
Figura 2.1 “Pulper”
Capacidad máxima: 50L
Velocidad del rotor: de 0 a 1500 revoluciones / minuto
Potencia del motor: 4.4 kilowatios
Productor: Varein, Tolosa-Guipúzcoa, España.
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2.2.2. Mezclador cinético de alta intensidad “Gelimat”
El equipo (figura 2.2) consiste en el tambor con husillos, la entrada y salida de la carga y el
sistema de refrigeración. El mezclador, gracias a alta velocidad de revoluciones de los
husillos, permite obtener una mezcla homogénea de un polímero y aditivo .La fuerza de
rozamiento (gracias a revoluciones altas) hace subir la temperatura de la mezcla para fundir el
polímero. El equipo está vinculado a un ordenador con el cual se controlan: la temperatura y
las revoluciones de los husillos.
Figura 2.2 Mezclador cinético “Gelimat”
Capacidad: 1 kg,
Potencia: 30 kilowatios,
Productor: Draiswerke Inc. (USA)
2.2.3. Trituradora “Retsch” SM-100
La trituradora Retsch (figura 2.3) es un molino de cuchillas que permite obtener un granulado
a partir de la mezcla (material compuesto) que se obtiene del mezclador cinético.
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Figura 2.3 Trituradora
Capacidad: 5 litros
Velocidad del rotor: 1390 revoluciones / minuto
Potencia: 1500 watios
Tamaño del corte: 0,2-5 mm
Productor: Retsch Hmbg. (Alemania).
2.2.4. Inyectora “Meteor”
Los materiales se conformaron mediante moldeo por inyección (figura 2.4). El equipo de
inyección Meteor-40 permite obtener probetas normalizadas (figura 2.5 y 2.6) para ensayo
mecánico de tracción, flexión, e impacto.
Figura 2.4 Inyectora “Meteor”
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Figura 2.5 Probeta para el ensayo a tracción (dimensiones están señaladas en mm).
Figura 2.6 Probeta para el ensayo a flexión e impacto (dimensiones están señaladas en mm),
la medida 10,16 corresponde a la entalla para los ensayos “Charpy” e Ízod.
Características técnicas de la inyectora:
Diámetro del tornillo: 26 mm
Presión de inyección máxima: 1300 bar
Velocidad de inyección máxima:45 cm3/s
Carrera máxima del tornillo: 0 a 300 revoluciones / minuto
Capacidad de alimentación de la tolva: 20 kg
Potencia de calefacción: 2,2 kilowatios
Potencia del motor: 7,5 kilowatios
Peso máximo inyectable: 41 g
Productor: Mateu & Solé S.A., (España).
2.2.5. Cámara climática
La cámara climática empleada es de Dicometal Inc. Sant Boi de Llobregat (España), posee
una capacidad de 1000 litros, y puede ser programada para trabajar en un amplio rango de
temperaturas de -15 a 150 ºC y 15 a 98% de humedades relativa. Las características
principales de la cámara climática son: circulación de aire de tiro forzado mediante
motoventilador ubicado en el fondo de la cámara, sistema de calefacción por resistencias
eléctricas blindadas. La medición de las temperaturas se realiza mediante termo resistencias y
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la medición de la humedad mediante una sonda del tipo capacitivo. Posee un sistema de
seguridad mediante termostato independiente, en el caso de la subida extrema de la
temperatura se produce la desconexión del sistema de calefacción. Para este trabajo la cámara
se programa a 23,0 °C (+/-0,1) y 50% de la humedad relativa.
2.2.6. Estufa
El secado se ha realizado en una estufa Dicometal Inc. Sant Boi del Llobregat (España)
modelo AFA 288. La estufa cuenta con un controlador de temperatura que permite el control
y la programación de las temperaturas de calentamiento. Además, cuenta con un sistema de
aire caliente de recirculación forzada para la evacuación del aire saturado de humedad. Para
este trabajo se programa a 80,0 ºC (+/- 0,1).
2.2.7. Equipo para ensayos mecánicos de tracción y flexión “INSTRON 1122”
Los ensayos de las propiedades de tracción, se realizaron con una máquina universal Instron
1122 (figura 2.7 y 2.8). Los datos de cada ensayo son registrados y tratados de forma
automática por un programa informático Geslab Hawk, que registra los valores de fuerza vs.
deformación y realiza el cálculo de las propiedades. La capacidad del equipo es de 5 kN. La
velocidad del cabezal empleada ha sido 2 mm/min.
Figura 2.7 “Instron” con el accesorio a flexión. Figura 2.8 “Instron” con mordazas a tensión.
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2.2.8. Equipo para ensayos de impacto
El equipo Ceast Resil5.5 (Italia) está provisto de dos martillos normalizados para los ensayos
Charpy y Izod (figura 2.9 y 2.10). La velocidad de la caída del martillo es 3,45
metros/segundo.
Figura 2.9 Ceast Resil con martillo Figura 2.10 Martillo para ensayos Charpy.
para ensayos Izod.
2.2.9. Equipo de caracterización morfológica de fibras “Morfi” Techpap Compact
El equipo Techpap Compact (Grenoble, Francia) (figura 2.11), permite medir la distribución
de longitudes y longitudes promedios de las fibras y el diámetro a través de microfotografías
procesando 30 000 fibras aproximadamente.
Figura 2.11 Equipo Tachpap Compact.
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2.2.10. Microscopio electrónico de barrido (SEM)
El microscopio electrónico de barrido Zeiss modelo DMS 960 (figura 2.12), permite el
estudio de la morfología de la superficie de los materiales de refuerzo y de la sección de
rotura de las probetas ensayadas a tracción. Las características técnicas son las siguientes:
Voltaje de aceleración 30-49 kV
Aumentos 4x-300.000x
Resolución 25-4 nm
Figura 2.12 Microscopio electrónico de escaneo (SEM).
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2.3. PREPARACIÓN DE FIBRA
El trabajo empieza con la preparación de fibras de refuerzo. En el caso de la desintegración
mecánica las hojas de papel “flutting” se trituran con la destructora de papel (de oficina)
hasta llegar a 1600 gramos (figura 2.12).
Figura 2.12 Papel triturado mecánicamente.
El modo de la desintegración química requiere más tiempo y recursos pero se esperan
mejores características del compuesto final debido a la mejor dispersión de las fibras dentro
de la matriz polimérica. Para eliminar la lignina y pectina, con la cual las fibras de celulosa se
mantienen unidas entre sí, se requiere preparar una solución de NaOH 0,025 molar. Con este
tratamiento aumenta la accesibilidad a los grupos –OH y con ello el acoplamiento posterior de
las fibras con el MAPP o el MAPE [6]. Para ello, en 20 litros de agua se añaden 20 gramos de
NaOH (en granulos): 20 g/ 40 (g/mol) /20L = 0,025M. El papel “flutting” se corta a mano en
pequeños trozos hasta llegar a 2 kilos y se mezcla con 20 litros de la solución de NaOH. Toda
la mezcla se coloca en el “pulper” con el rotor helicoidal y revoluciona a unos 100
revoluciones/minuto durante 15 minutos. Se obtiene así una pasta homogénea. Se abre la
salida del “pulper” y la pasta se recoge en un cubo con el filtro que permite a su vez el filtrado
del agua. Se deja reposar unos minutos para quitar la mayor parte de agua posible y luego se
centrifuga para obtener una pasta más seca. La pasta obtenida pesa unos 4 kilos, lo que
significa que quedan 2 kilos de agua retenida en la pasta. Ahora se añade el “Diglyme” 4 kilos
(2/3 de la solución total) y se deja agitando en el “pulper” a 100 revoluciones / minuto durante
20 minutos. La mezcla se centrifuga y se deja en la estufa 24 horas a 80,0 ºC (+/- 0,1). Las
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fibras secadas se trituran ligeramente con un molino doméstico, y el material obtenido tiene
aspecto de algodón (figura 2.13).
Figura 2.13 Fibras de papel desintegradas químicamente.
2.4. PREPARACIÓN DE PROBETAS DE ENSAYO
El esquema es la misma para la preparación de todas las muestras:
Pesada de los componentes
Mezclado
Preparación de la granza
Inyección
Climatización
La fibra desintegrada mecánicamente se utiliza únicamente para las muestras de PP con 40%
de refuerzo. Una vez comprobada la mejora de los resultados con las fibras desintegradas
químicamente, las muestras posteriores se llevan a cabo sólo a partir de este último método.
Teniendo en cuenta las limitaciones del mezclador cinético disponible, la mezcla con el
mayor contenido de refuerzo fue del 50% en peso, ya que incluso esta misma requiere varias
pruebas hasta encontrar el punto óptimo entre revoluciones de los husillos y el tiempo del
mezclado. Si el tiempo del mezclado es largo entonces se quema la mezcla, si es corto la fibra
no se mezcla correctamente y se queda una parte significativa en el tambor del equipo.
20 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Pesada de los componentes
Los componentes se pesan por separado en los frascos de plástico. La cuantidad total debe ser
de 1 kilo conforme a la capacidad del mezclador, el peso del agente de acoplamiento se
calcula respecto al contenido de fibras. El error absoluto de la balanza es +/- 0,1g. Las
cuantidades están recogidas en las tablas 2.1 y 2.2.
Tabla 2.1. Composición de los compuestos de PP070.
Tabla 2.2. Composición de los compuestos de HDPE.
Mezclado
El equipo mezclador Gelimat se enciende y se ajustan las revoluciones del rotor a 300
rev/min. Por la entrada situada arriba del equipo se introduce primero la fibra y se deja
removiendo hasta que se vean los husillos, luego se añade el polímero, se cierra la entrada.
Gradualmente se aumentan las revoluciones hasta 2500 rev/min lo que hace subir la
temperatura hasta 180-210oC y fundir el polímero, la alta velocidad de revoluciones
proporciona el buen mezclado de fibras con la matriz polimérica. Cuando el indicador de
consumo de amperios empieza subir y luego bajar, inmediatamente se abre la salida y se
bajan de golpe las revoluciones del rotor a 0 rev/min. El material obtenido tiene aspecto
homogéneo. La mezcla se deja enfriar unos 15 minutos.
PP fibras MAPP
PP/40%fibras 600 400
PP/40%fibras/3%MAPP 588 400 12
PP/40%fibras/6%MAPP 576 400 24
PP/40%fibras/9%MAPP 564 400 36
PP/30%fibras/6%MAPP 682 300 18
PP/50%fibras/6%MAPP 470 500 30
HDPE fibras MAPE
HDPE/40%fibras 600 400
HDPE/40%fibras/6%MAPE 576 400 24
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 21
Preparación de la granza
La preparación de la granza se hace con el triturador Retsch. La mezcla simplemente se
introduce en la entrada del triturador, se enciende el motor y se deja actuar unos 3 minutos
hasta que toda la granza se recoja en el depósito.
Inyección
Se enciende la inyectora Meteor y se pone al modo manual. Primero se carga la granza y se
inyecta sin cerrar el molde para hacer pasar la granza por el interior del inyector. En seguida
el equipo se pone al modo automático y se cierra el molde. El equipo empieza a inyectar la
primera probeta, se abre el molde se saca la probeta, se cierra y el programa automático sigue
fabricando la probeta siguiente. Así se fabrican 20 probetas de cada muestra, cada una de las
probetas se enumera. Las dimensiones de probetas normalizadas se especifican en el apartado
2.2.3. El proceso de inyección se ha realizado bajo las siguientes condiciones de trabajo:
Temperaturas de la zona de inyección de 165ºC/185ºC/205ºC; Apertura de boquilla al 50%; y
presión de compactación de 25 bares.
Climatización
Las probetas fabricadas se ponen en un sobre de papel con la indicación correspondiente y se
guardan en el climatizador a 23,0 Co y 50% de la humedad relativa. Se dejan reposar 48
horas, durante este tiempo se asegura el enfriamiento y contracción lenta de las cadenas de
polímero lo que minimiza las imperfecciones estructurales.
2.5. ENSAYOS
2.5.1. Ensayos a tracción, flexión e impacto
Todos los ensayos se realizan a temperatura ambiente 25 Co y 50% de la humedad relativa. Se
realizan 10 ensayos para cada muestra. Los valores medios de tensión máxima, deformación
máxima, módulo Young, módulo elástico a flexión, resistencia al impacto se recogen en las
tablas. Los valores medios y la desviación se calculan con el software correspondiente. Los
errores estocásticos se descartan.
2.5.2. Caracterización mecánica
Ensayos a tracción UNE EN ISO 527-1 (1996)
Los ensayos de esfuerzo-deformación por tracción permiten medir la fuerza necesaria para
producir la deformación (ecuación 2.1). A una velocidad de estiramiento constante se
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registran automáticamente los valores de la fuerza y la variación de la longitud de la probeta.
El término esfuerzo se refiere a la fuerza por unidad de superficie, cuya unidad es MPa
(ecuación 2.2). La tensión máxima es el esfuerzo máximo soportado por la probeta antes de
romperse. El módulo de Young del sistema (ecuación 2.3) se determina a partir de la
pendiente de la curva esfuerzo-deformación (figura 14) a bajas deformaciones (2-3%). Este
módulo se relaciona con el comportamiento elástico del material, es decir que el material
recupera su forma y dimensiones iniciales si cesa la fuerza que origina esta deformación.
ε=∆L/L ecuación 2.1
σ= F/A ecuación 2.2
Y = ∆σ/∆ε ecuación 2.3
Figura 2.14 Curva esfuerzo vs. deformación.
Ensayos a flexión UNE EN ISO 178 (1997)
Los ensayos permiten hallar el esfuerzo máximo (ecuación 2.4) de flexión soportado por la
probeta antes de romperse en los apoyos normalizados (figura 2.15).
σ = 3*F*L/2*b*h ecuación 2.4
donde la longitud L (distancia entre apoyos) = 16*h.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 23
Figura 2.15 Apoyos para ensayos a flexión
Ensayos al impacto Charpy UNE EN ISO 179-1 (2001)
Este ensayo mide la resistencia de la probeta al romperse por el impacto según la fórmula:
a= E *103/h*b (kJ/m 2) donde E es la energía.
La diferencia entre Charpy´ y Charpy” es que en el segundo caso la muestra lleva una entalla
de modo que la anchura b en la zona de la entalla tiene que ser 10,16 mm (figura 2.16).
Izod UNE EN ISO 180
La muestra con la entalla y anchura en la zona de la entalla 10,16 mm se coloca verticalmente
en una mordaza (figura 2.16).
Figura 2.16 Ensayos al impacto.
24 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
2.5.3. Estudio morfológico y densidad de las fibras
Dimensiones
Se llevó a cabo el análisis morfológico de las fibras de “flutting”, antes y después de ser
procesadas. Para ello las fibras se diluyen en el agua destilada en una proporción 25
miligramos / litro. Se somete al ensayo del equipo Techpap Compact que determina la
distribución de longitudes de las fibras así como su diámetro, cantidad de finos etc.
Para evaluar el efecto de procesado sobre las dimensiones de fibras éstas se extraen de una
probeta de PP/40% de fibras no sometida al ensayo y que no contiene MAPP, ya que resulta
casi imposible extraerlas de la matriz con MAPP por la existencia de los enlaces covalentes
entre las fibras y la matriz polimérica que existe con la presencia de MAPP. La extracción se
realiza con el equipo a destilación bajo una campana durante 48 horas. En el matraz se coloca
el disolvente “decalina” se calienta y el vapor pasa por el cartucho filtro que contiene 5
gramos de la muestra (probeta troceada en trocitos de tamaño 1 mm). El vapor del disolvente
se condensa, diluye el polímero y lo arrastra al matraz por gravedad mientras que las fibras,
no solubles en la “decalina”, se quedan en el cartucho. Se obtienen así unos 0,14 gramos de la
fibra, lo que es suficiente para el ensayo de Techpap Compact.
Densidad de fibras
La determinación de la densidad de fibras se realiza con el picnómetro según la ecuación 2.5.
Se realizan 4 pesadas:
P1 el picnómetro vacío
P2 el picnómetro más el agua destilada enrasada hasta la marca
P3 el picnómetro con fibra
P4 el picnómetro con fibra más el agua destilada enrasada hasta la marca
El volumen de las fibras es igual al volumen del agua desalojada en el picnómetro después de
colocar fibras.
Densidad de fibra = peso / volumen = (P3- P1) / [(P2 - P1) – (P4 - P3)] ecuación 2.5
El valor de la densidad de las fibras “flutting” de refuerzo es de:
d fibra = 1,20 (+/-0,01)
d polipropileno = 0,905 (apartado 2.1.1.)
Con este resultado, la fracción en volumen de fibras en el compuesto de PP al 40% en peso es:
V fibra = 0,335 V pp = 0,665
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 25
3.1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1.1. Estudio del efecto de la cantidad de agente de acoplamiento.-
Ensayos a tracción de PP
En la tabla 3.1 se muestran los resultados de las propiedades mecánicas a tracción del
polipropileno y de los correspondientes materiales compuestos reforzados con fibra con un
40% en peso y distintos porcentajes de agente compatibilizante MAPP. En todas las tablas los
valores de la desviación estándar se encuentran en paréntesis.
Tabla 3.1. Muestras con fibras desintegradas mecánicamente (negro), químicamente (azul).
PP070 sin
fibra
PP/40% fibra +0%MAPP
PP/40% fibra +3%MAPP
PP/40% fibra +6MAPP
PP/40% fibra +9MAPP
Tensión máxima MPa
22,98 (0,104)
29,30(0,53) 33,74(0,53)
31,19(1,03) 40,31(1,28)
38,45(0,93) 49.79(0.52)
34,46(0,93) 38,90(0,94)
Deformación máxima %
19,74
(0,20)
2,43(0,14) 2,76(0,25)
2,41(0,22) 3,02(0,24)
3,13(0,36) 4.09(0,23)
2,71(0,64) 3,15(0,45)
Módulo Young GPa
0,96 (0,1) 3,55(0,28) 3,79(0,57)
2,94(0,41) 3,30(0,31)
2,83(0,49) 3,73(0,64)
2,93(0,25) 3,48(0,41)
La representación gráfica de la tensión máxima de los distintos materiales se muestra en la
figura 3.1
0
10
20
30
40
50
60
MPa
PP070 3 9
40%fibra+MAPP%
Tensión máxima
desintegraciónmecánica defibra
desintegraciónquímica de fibra
Figura 3.1 Resistencia máxima de los materiales compuestos de PP
26 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Se observa el aumento de todos los valores en el caso de la desintegración química con
respecto a la mecánica lo que confirma la importancia de la dispersión de fibra y por lo tanto
el aumento de la superficie de la interfase matriz polimérica-fibras. Incluso en el caso de no
haber agente compatibilizante, los compuestos con fibra desintegrada químicamente,
muestran un aumento de la tensión máxima del orden 45%. A pesar de no disponer de enlaces
químicos entre fases se crean contactos físicos (enmarañamiento de cadenas del polímero con
la celulosa) que también contribuyen las fuerzas intramoleculares de Van der Waals. Con la
adición del agente de acoplamiento la tensión máxima crece gradualmente en ambos casos
hasta llegar al valor espectacular 49.8 MPa en el caso de 6% del MAPP, lo que representa un
aumento en más de 200 % respecto al polímero sin refuerzo. El hecho del no aumento de la
resistencia con el aumento del MAPP a partir de 6% se puede explicar con la saturación de
los grupos –OH accesibles de las fibras. Al hacerse más rígido el material con el refuerzo
disminuye su capacidad de deformación. Se observa la disminución brusca de la deformación
en todos los compuestos unas 6 veces respecto al polipropileno puro. Por el contrario, el
módulo Young aumenta con la adición de refuerzos unas 3,5 veces con respecto al polímero
puro.
Ensayos a flexión de PP
En la tabla 3.2 se recogen los resultados de las propiedades mecánicas a flexión de los
correspondientes materiales compuestos reforzados con un 40% en peso de fibra y distintos
porcentajes de agente compatibilizante MAPP. No se incluye el valor de los ensayos con el
propileno sin refuerzo ya que la probeta no se rompe.
Tabla 3.2 Muestras con fibras desintegradas mecánicamente (negro), químicamente (azul).
PP/40%fibra +0%MAPP
PP/40% fibra +3%MAPP
PP/40% fibra +6%MAPP
PP/40% fibra +9%MAPP
Resistencia máxima MPa
45,03(0,91) 45,74(1,19)
50,42(42) 51,02(1,56)
56,14(0,94) 70,96(2,19)
52,92(0,76) 54,75(2,17)
Deformación máxima mm
5,71(0,12) 6,22(0,21)
6,12(0,19) 7,21(0,22)
7,33(0,28) 8,34(0,38)
6,67(0,22) 8,22(0,42)
Módulo flexión GPa ISO178
2,32(0,07) 2,59(0,09)
2,42(0,12) 2,60(0,16)
2,48(0,09) 3,18(0,08)
2,49(0,13) 2,58(0,13)
La visualización gráfica se representa en la figura 3.2
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 27
01020304050607080
MPa
0 3 6 9
40% fibra + MAPP%
Resistencia máxima a flexión
fibra desintegradamecánicamente
fibra desintagradaquímicamente
Figura 3.2 Resistencia máxima a flexión de PP
El aumento de los valores de propiedades siguen la misma pauta que en el caso de ensayos a
tracción: crecen con la adición del MAPP hasta llegar al valor de 6 % y desminuyen al
aumentar la cantidad del MAPP.
Ensayos al impacto de PP
En la tabla 3.3 se presentan los resultados de ensayos al impacto donde las muestras con fibras
desintegradas mecánicamente están en negro, desintegradas químicamente en azul.
Tabla3.3 Resultados de ensayos al impacto de PP
PP070 sin fibras
PP/40%fibra +0%MAPP
PP/40%fibra +3%MAPP
PP/40%fibra +6%MAPP
PP/40%fibra +9%MAPP
Charpy´ kJ/m 2
No se rompe
17,80(1,46) 24,52(0,85)
24,98(1,53) 30,10(1,84)
30,87(1,14) 37,32(3,96)
24,67(2,85) 34,54(1,69)
Charpy” (con entalla) kJ/m 2
6,25(0,34) 2,41(0,25) 2,59(0,13)
2,74(0,08) 3,35(0,75)
2,79(0,31) 4,78(0,75)
2,44(0,10) 3,11(0,13)
Ízod J/m
40,29(3,17) 25,29(1,30) 25,98(1,49)
26,50(2,32) 32,64(1,45)
31,57(4,25) 35,23(2,14)
26,49(2,07) 26,82(2,84)
28 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
La representación gráfica del ensayo Charpy´ se muestra en la figura 3.3.
05
10152025303540
kJ/m2
0 3 6 9
40% de fibra + MAPP%
Charpy ´
fibras desintegradasmecánicamente
fibras desintegradasquímicamente
Figura 3.3 Resistencia al impacto Charpy´ de los compuestos de PP. La adición del agente de acoplamiento MAPP hace subir la resistencia al impacto en orden de
50 % respecto al compuesto sin MAPP. No obstante la adición de fibras (con o sin MAPP)
aumenta la fragilidad del compuesto notablemente respecto al polímero sin fibras, lo que se ve
claramente comparando los valores de ensayos Charpy” e Izod.
Es obvio que los compuestos con fibra desintegrada químicamente tienen los valores
superiores de todas las características respecto a los de resultados de compuestos con fibras
desintegradas mecánicamente, por lo tanto los compuestos siguientes se preparan con la fibra
tratada químicamente. La mejor proporción del agente de acoplamiento es unos 6 % en peso
respecto al contenido de fibras.
3.1.2. Estudio del efecto de la cantidad de refuerzo.-
Ensayos a tracción de PP
En la tabla 3.4 se muestran los resultados de las propiedades mecánicas a tracción del
polipropileno y de los correspondientes materiales compuestos reforzados con un 30, 40 y
50% en peso de fibra y 6% de agente compatibilizante MAPP. La representación gráfica se
muestra en la figura 3.4. El crecimiento de la tensión máxima y del Módulo de Young es casi
lineal con el aumento del porcentaje de refuerzo, no obstante aparece una disminución de esta
tendencia con la proporción a 50 %. Esta disminución del crecimiento de las características es
debida a las dificultades de dispersar las fibras cuando su cantidad es significante respecto a la
de la matriz polimérica, consecuentemente no se aprovecha toda la superficie de las fibras
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 29
presentes para aumentar el área de la interfase. La deformación máxima se disminuye
notablemente, unos 5 veces, con adición de fibras de refuerzo, lo que era de esperar al
aumentar la resistencia del compuesto.
Tabla 3.4 Resultados de ensayos a tracción de los materiales compuestos de PP
PP070 sin fibras
PP/30% fibra +6% MAPP
PP/40% fibra +6% MAPP
PP/50% fibra +6%MAPP
Tensión máxima MPa
22,98(0,104) 41,28(0,314) 49.79(0.52) 51,25(1,00)
Deformación máxima %
19,74(0,20) 4,86(0,36) 4,09(0,23) 2,64(0,23)
Módulo Young GPa
0,96(0,1) 2,64(0,44) 3,73(0,64) 4,04(0,39)
0
10
20
30
40
50
60
MPa
PP070 PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Tensión máxima
0
5
10
15
20
%
PP070 PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Deformación
0
1
2
3
4
5
GPa
PP070 PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
M.Young
Figura 3.4 Resultados de ensayos a tracción de los materiales compuestos de PP Se puede hallar la ecuación de la recta tensión vs. % de refuerzo desde 0% hasta 50% (figura
3.5) para poder predecir las características de los compuestos con una precisión aceptable. En
30 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
este trabajo se trata de las composiciones hasta 50 % en peso de refuerzo ya que para estos
materiales y el mezclador cinético disponible resulta muy difícil obtener mezclas con
contenidos más altos de refuerzo.
Tensión máximay = 0,5954x + 23,464
R2 = 0,9793
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60
% de refuerzo
MP
a
Figura 3.5 Tensión vs. % en peso de refuerzo en el compuesto.
Ensayos a flexión de PP
En la tabla 3.5 se muestran los resultados de los ensayos a flexión de los compuestos. La
visualización gráfica se representa en la figura 3.5. El crecimiento de valores respecto al
contenido de refuerzo es prácticamente lineal en la resistencia, deformación y módulo de
flexión.
Tabla 3.5 Ensayos a flexión de los compuestos PP con fibras
PP/30% fibra +6% MAPP
PP/40% fibra +6% MAPP
PP/50% fibra +6%MAPP
Resistencia máxima MPa
59,12(0,76) 70,96(2,19) 79,31(1,96)
Deformación máxima mm
9,07(0,33) 7,76(0,4) 6,74(0,24)
Módulo flexión GPa ISO178
2,38(0,09) 3,18(0,07) 3,46(0,29)
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 31
No hay resultados correspondientes al polímero puro ya la probeta no se rompe ensayándola
según la normativa ISO 178.
.
0
20
40
60
80
MPa
PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Resistencia máxima
0
5
10
mm
PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Deformación máxima
0
1
2
3
4
GPa
PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Módulo flexión ISO178
Figura 3.5 Gráficas de ensayos a flexión de PP.
Ensayos al impacto de PP
La tabla 3.6 representa resultados de ensayos al impacto de los compuestos variando
únicamente la cuantidad del refuerzo. En la tabla se muestran, como referencia, los valores
correspondientes a los ensayos del material puro sin refuerzo.
No se detectan grandes fluctuaciones de los valores con la variación de la cuantidad del
refuerzo. Las variaciones son del orden 6 % salvo el caso del material puro cuando la probeta
no se rompe aplicando la normativa Charpy´ ISO 179-1. En la figura 3.6 se muestran los
resultados a través de las gráficas.
32 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Tabla 3.6 Ensayos al impacto de PP.
PP070 sin fibras
PP/30% fibra +6% MAPP
PP/40% fibra +6% MAPP
PP/50% fibra +6%MAPP
Charpy´ kJ/m 2
No se rompe 39,55(0,99) 37,32(3,96) 36,30(0,73)
Charpy” (con entalla) kJ/m 2
6,25(0,34) 4,53(0,26) 4,78(0,75) 4,98(0,09)
Ízod J/m
40,29(3,17) 38,57(3,07) 35,23(2,14) 37,42(1,12)
10
15
20
25
30
35
40
kJ/m2
PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Charpy´
-1
1
3
5
7
kj/m2
PP070 PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Charpy"
10
20
30
40
50
J/m
PP070 PP/30/6 PP/40/6 PP/50/6
Ízod
Figura 3.6 Ensayos al impacto, de PP 3.1.3. Estudio de composites con matriz HDPE.- Ensayos a tracción de HDPE
En la tabla 3.7 se citan los resultados de ensayos a tracción de los compuestos HDPE. Igual
que en el caso de PP la resistencia máxima a tracción crece mientras la capacidad de
deformarse se disminuye casi 5 veces respecto al polímero puro. Se representa gráficamente
en la figura 3.7.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 33
Tabla 3.7 Ensayos de HDPE a tracción.
HDPE sin refuerzo
HDPE+ 40% de fibra (sin MAPE)
HDPE+ 40% de fibra +6% de MAPE
Tensión máxima MPa
14,29(0,04) 33,52(0,45) 40,27(1,12)
Deformación máxima %
12,0(1,0) 2,5(0,2) 3,53(0,18)
Módulo Young GPa
0,75(0,04) 2,84(0,44) 3,35(0,75)
Se representa gráficamente en la figura 3.7
0
10
20
30
40
50
MPa
HDPE HDPE/40 HDPE/40/6
Tensión máxima
0
2
4
6
8
10
12
%
HDPE HDPE/40 HDPE/40/6
Deformación máxima
0
1
2
3
4
GPa
HDPE HDPE/40 HDPE/40/6
Módulo Young
Figura 3.7 Ensayos a tracción con los materiales de HDPE.
34 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Ensayos a flexión de HDPE
En la tabla 3.8 están los resultados de los ensayos a flexión del compuesto de HDPE con 40%
en peso de refuerzo con y sin del agente de acoplamiento MAPE, y la tabla 3.9 recoge los
resultados de los ensayos al impacto.
Tabla 3.8 Ensayos a flexión de HDPE .
HDPE+ 40% de fibra (sin MAPE)
HDPE+ 40% de fibra +6% de MAPE
Resistencia máxima MPa
43,51(1,56) 49,19(0,35)
Deformación máxima mm
6,86(0,38) 8,36(0,23)
Módulo flexión GPa ISO178
2,29(0,13) 2,52(0,11)
Tabla 3.9 Ensayos al impacto de HDPE.
HDPE sin refuerzo
HDPE+ 40% de fibra (sin MAPE)
HDPE+ 40% de fibra +6% de MAPE
Charpy´ kJ/m 2
No se rompe 20,02(0,38) 29,54(1,18)
Charpy” (con entalla) kJ/m 2
5,42(0,23) 2,81(0,18) 5,08(0,11)
Ízod J/m
30,0(2,4) 24,84(1,80) 27,67(2,44)
0
2
4
6
kJ/m2
HDPE HDPE/40 HDPE/40/6
Charpy"
0
10
20
30
J/m
HDPE HDPE/40 HDPE/40/6
Ízod
Figura 3.8 Ensayos al impacto de HDPE.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 35
Los valores de todas las propiedades son mayores en el caso del PP. No obstante es
interesante constar que el efecto de refuerzo es más pronunciado en el caso de HDPE, en la
tabla 3.10 se muestran las diferencias de valores en % entre polímero puro y reforzado.
Tabla 3.10 Diferencias de valores entre material puro y reforzado
HDPE vs. HDPE/40/6 PP vs. PP/40/6
Aumento de la
tensión máxima 280 % 220 %
Aumento del módulo
Young 450 % 390 %
3.1.4. Dimensiones de fibras
Las fibras se examinan en el equipo Techpap Compact antes de ser utilizados en el proceso y
después de ser extraídas de una probeta de ensayo (antes de ser ensayada) para ver los
cambios en las dimensiones sufridas por las mismas. El software del equipo suministra la
información de las distribuciones de longitudes.
El diámetro de fibras no cambia ya que tiene el mismo en ambos casos: 20.5 micrómetros.
Las longitudes promedio de las fibras se recogen en la tabla 3.11, y las distribuciones de la
longitud de fibra en las gráficas de las figuras 3.9 y 3.10.
Tabla 3.11 Longitud promedio de fibras.
Longitud media
aritmética, µm
Longitud ponderada
en longitud, µm
Longitud ponderada
en peso, µm
Fibras de partida 391 882 1620
Fibras extraídas de
una probeta de
PP/40%
351 602 856
36 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Se observa que después del mezclado, trituración e inyección la fibra se acorta. Este efecto es
más pronunciado en el valor de la longitud ponderada en peso.
Los valores medios se calculan según las formulas:
Longitud aritmética media: La = Σ nil i /Σ ni
Longitud ponderada en longitud: Ll = Σ nil i2/ Σ nil i
Longitud ponderada en peso: Lw = Σ nil i3/ Σ nil i
2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
12
4,5
32
3,5
52
1,5
72
0,5
91
8,5
11
17
,5
13
15
,5
15
14
,5
17
12
,5
19
11
,5
21
09
,5
23
08
,5
25
06
,5
27
05
,5
29
03
,5
31
02
,5
33
00
,5
34
99
,5
36
97
,5
38
96
,5
40
94
,5
42
93
,5
44
91
,5
46
90
,5
48
88
,5
50
87
,5
Nú
me
ro (
%)
Longitud (µµµµm)
Distibución de longitudes
Figura 3.9 Distribución de longitudes de fibra de partida.
0
5
10
15
20
25
30
35
Nú
me
ro (
%)
Longitud (µµµµm)
Distribución de longitudes
Figura 3.10 Distribución de longitudes de fibras extraídas de una probeta de ensayo.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 37
3.1.5. Examen microscópico
Con el equipo Zeiss DMS 960 se examinan las secciones a rotura de las probetas sometidas al
ensayo a tracción sin y con el agente de acoplamiento. En las figuras 3.11 y 3.12 se muestran
las fotografías obtenidas por el SEM.
Figura 3.11 Microfotografía de la sección de rotura del compuesto PP/fibras sin MAPP.
Figura 3.12 Microfotografía del sección de rotura del compuesto PP/fibras con MAPP.
38 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Se nota claramente el espacio entre fibra y la matriz en la figura 3.11 lo que significa que no
hay un buen contacto en la interfase. Por el contrario, en la figura 3.12, se observa un buen
acoplamiento confirmándose así la efectividad del MAPP. La misma situación se detecta en
las microfotografías de la sección de rotura de probetas de HDPE (figura 3.13 y 3.14).
Figura 3.13 Microfotografía de la sección de rotura del compuesto HDPE/fibras sin MAPE.
Figura 3.14 Microfotografía de la sección de rotura del compuesto HDPE/fibras con MAPE.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 39
3.2. MODELO DE KELLY TYSON
3.2.1 Conceptos teóricos
Cuando hablamos de materiales compuestos con fibras cortas podemos modelizar la
resistencia máxima a tracción mediante la regla de las mezclas (ecuación 3.2.1) [8,9]. Según
esta ecuación la resistencia de un material compuesto depende principalmente de: las
propiedades mecánicas de la fibra de refuerzo, de las propiedades mecánicas de la matriz, de
la interacción entre ambas fases y de la orientación de la fibra y su aspecto ratio.
Ecuación 3.2.1
Cσ : Resistencia a tracción del compuesto (MPa)
Fσ : Resistencia intrínseca de la fibra (MPa)
Mσ : Resistencia a tracción de la matriz (MPa)
af : Factor de la compatibilidad
FV : Fracción en volumen de fibra (%)
MV : Fracción en volumen de la matriz (%) El factor de la compatibilidad, o el factor de acoplamiento, es de gran importancia. En el caso
idealizado donde la fibra preste su máxima capacidad de refuerzo af es la unidad. El factor
af se expresa como el producto χχχχ1 χχχχ2 , donde χχχχ1 es el factor de la orientación espacial de las
fibras y χχχχ2 es la función de la tensión interfacial τ y el aspecto de las fibras L/d (relación
longitud-diámetro). El factor de la orientación es el valor empírico que se valora de 0 a 1, es
decir es igual a 1 si todas las fibras están totalmente alineadas. En los cálculos se le asocia al
factor χχχχ1 un valor de 3/8 para los conformaciones aleatorias planas y 1/5 para las
conformaciones aleatorios en tres dimensiones. Determinar el factor de la orientación es
difícil teniendo en cuenta la inyección, geometría del molde y las condiciones del proceso.
Algunos autores después de estudios laboriosos [10] han concluido que la orientación de las
fibras en un compuesto es caótica. Pero profundizando el tema se puede decir que en una
pieza obtenida por inyección se puede distinguir tres regiones: las capas “skin”, “shell” y
“core”. La capa “skin” o la capa superficial se sitúa a los lados del molde que consiste en una
capa fina donde las fibras están orientadas en la dirección del flujo de inyección. La capa
intermedia “shell” se sitúa justo después de la superficial donde las fibras están orientadas en
la dirección del flujo pero en menor grado. Y finalmente la capa interna “core” no tiene
ningún tipo de orden de la orientación de las fibras (figura 3.15).
MMFFaC VVf ⋅+⋅⋅= σσσ
40 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Figura 3.15. Representación de tres capas: superficial “skin”, intermedia “shell” e interna
“core”.
Este modelo de orientación representa la microestructura del material compuesto y demuestra
que el material es más fuerte y rígido en la sección de la máxima orientación de las fibras. Por
lo tanto el factor χχχχ1 proporciona la forma en que la orientación de las fibras afecta a la
resistencia que ofrecen las fibras de refuerzo dentro del compuesto.
De acuerdo con Fu y Lauke [11] el factor χχχχ2 para las fibras cortas se puede calcular según las
ecuaciones 3.2.2 y 3.2.3.
χχχχ2 = Lf/2 Lf c para Lf < Lf
c Ecuación 3.2.2
χχχχ2 = 1- Lf c /2 Lf para Lf ≥ Lf
c Ecuación 3.2.3
Lf c = D Fσ /2 τ Ecuación 3.2.4
La longitud crítica de la fibra, Lf c , se define por la ec. 3.2.4., donde D es el diámetro de la
fibra obtenida experimentalmente, y τ es la tensión interfacial del material compuesto. Por lo
tanto podemos despejar el τ y sustituir Lf c :
τ = χχχχ2 d Fσ / Lf para Lf < Lf c Ecuación 3.2.5
τ = D Fσ / 4Lf (1- χχχχ2 ) para Lf ≥ Lf c Ecuación 3.2.6
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 41
Ecuaciones 3.2.5 y 3.2.6 se utilizan para los cálculos posteriores de τ según la longitud
correspondiente de la fibra.
El modelo de Kelly Tyson (1965) es una modificación de la regla de las mezclas (ecuación
3.2.1). La diferencia principal es que en esta regla se considera que todas las fibras ejercen la
misma resistencia y que toda la longitud de la fibra ofrece la misma resistencia a tracción. En
cambio, en el modelo de Kelly Tyson se tiene en cuenta el comportamiento más realísticos de
las fibras separando por un lado las fibras que están por encima de la longitud crítica y por
otro lado las que están por debajo. La fibra no ofrece la misma resistencia a lo largo de toda
su longitud, sino que los extremos soportan una carga menor al resto de la fibra. La figura
3.16 representa posibles casos de comportamiento de fibra de longitudes diferentes respecto a
la longitud crítica. Las fibras mas cortas de la Lf c no prestan toda su fuerza, y las más largas
de la Lf c no pueden sobrepasar el valor de la tensión máxima de la Lf
c .
Figura 3.16. Longitudes diferentes de la fibra respecto a la crítica vs. tensión
Una vez definida la longitud crítica, puede introducirse el modelo de Kelly Tyson (ecuación
3.2.7)
( ) Cmfi jj
CfjCf
iiCt EV
L
DEVE
D
VL ετε
ετσ −+
−+
= ∑ ∑ 14
1 Ecuación 3.2.7
Ecuación de Kelly Tyson donde E es el módulo elástico (módulo de Young) de las fibras y de
la matriz y ε es la deformación.
Para simplificar los cálculos la ecuación anterior se representa como Cσ = X+Y+Z, donde Z
es la contribución de la matriz, Y es la contribución de las fibras más largas de la longitud
crítica y X es la contribución de las más cortas que la longitud crítica.
42 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
El modelo de Bowyer-Bader (1972) (ecuación 3.2.8) amplia el concepto de Kelly Tyson
introduciendo el factor de orientación, para cada valor de la deformación ε existe un valor de
la longitud crítica de la fibra.
( ) Cmfi jj
CfjCf
iiCt EV
L
DEVE
D
VL ετε
ετχσ −+
−+
= ∑ ∑ 14
11
Ecuación 3.2.8. Modelo de Bowyer-Bader.
Por lo tanto el modelo de Bowyer-Bader es la modificación del de Kelly-Tyson teniendo en
cuenta la distribución de todas las fibras con su factor de orientación. Se define el sumatorio
de todas las fibras en las ecuaciones 3.2.9 y 3.2.10.
∑
=i
ii
D
VLX
τ Ecuación 3.2.9
∑
−=
jj
CfjCj L
DEVEY
τε
ε4
1 Ecuación 3.2.10
La contribución de la matriz se define con la ecuación 3.2.11.
( ) Cmf EVZ ε−= 1 Ecuación 3.2.11
A pesar de que no se conocen los valores τ y χχχχ1 aquellos pueden ser determinadas mediante
una iteración entre los parámetros obtenidos experimentalmente a través de la ecuación de
Bowyer Bader. Para ello necesitamos el módulo elástico de las fibras que se estima a través de
la ecuación de Hirsch (ecuación 3.2.12) a partir de los valores experimentales de los módulos
de la matriz y del compuesto, y de la fracción en volumen de las fibras (apartado 2.5.3), el
valor α es igual a 0.4 [12].
)1()1())1((
FFt
Fmt
mt
FtFm
tFF
tCt
VEVE
EEVEVEE
−+⋅⋅
−+−⋅+⋅= αα Ecuación 3.2.12
Modelo de Hirsch para estimación del módulo elástico de las fibras.
3.2.2. Cálculos
En este trabajo para el modelo Kelly-Tyson y Bowyer-Bader se utilizan los datos de las
muestras PP puro y PP con 40% de refuerzo y 6% de MAPP. Las dimensiones y las
distribuciones de las fibras se constan en el apartado 3.1 y 2.5.3 se representa gráficamente la
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 43
tensión vs. deformación para las muestras PP y PP/40/6 figura 3.17 con sus respectivas
ecuaciones de cuarto grado: la ecuación 3.2.13 para el PP y ecuación 3.2.14 para el PP con 40
% de fibras y 6% de MAPP (PP/40%/6%). El corte vertical de la curva de PP/40/6 cruza la
curva del PP en el punto (4.09; 19.7), con este dato podemos averiguar cuál es la aportación
de las fibras sobre la resistencia del material compuesto: (49.8-19.7)/49.8 x100%=60.4%.
Figura 3.17. Representación gráfica tensión vs. Deformación.
σ = -0,0015 ε4 + 0,0724 ε3 – 1,2293 ε2 + 8,7537 ε + 0,9856
R2 = 0,9893 Ecuación 3.2.13
σ = 0.1942 ε4 +0.0584 ε3 –9.4474 ε2 +38.835 ε–1.2458 R2 =0.9986 Ecuación 3.2.14
El esquema de cálculos se muestra en la figura 3.18. Ensayando las probetas se obtienen los
valores de tensión del material compuesto y matrizCσ , Mσ , deformación ε y el módulo
elástico E del compuesto. El análisis morfológico de las fibras proporciona las longitudes y el
diámetro de las mismas, a través del modelo de Hirsch se obtiene el módulo elástico de las
fibras. Con el modelo de Bowyer-Bader se encuentra la tensión interfacial τ y la orientación
44 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
espacial de las fibras χχχχ1 . Con el modelo Kelly-Tyson se estima la tensión intrínseca de las
fibras Fσ .
Probeta de fabricación
σtc, ε
tc,E
tc
Probeta de fabricación
σtc, ε
tc,E
tc
Modelo de HirschModelo de Hirsch
Distribución lF dFDistribución lF dF
Extracción de fibraExtracción de fibra
Metodología de Bowyer Bader
σtc=f (ε
tc ), σ
tm = f(ε
tm) E
tF lF dF
Metodología de Bowyer Bader
σtc=f (ε
tc ), σ
tm = f(ε
tm) E
tF lF dF
ττ
σtFσ
tF
Modelo de Kelly Tyson
σtc , , τ, dF, lF
Modelo de Kelly Tyson
σtc , , τ, dF, lF
EtFE
tF
χ1
χ1
Probeta de fabricación
σtc, ε
tc,E
tc
Probeta de fabricación
σtc, ε
tc,E
tc
Modelo de HirschModelo de Hirsch
Distribución lF dFDistribución lF dF
Extracción de fibraExtracción de fibra
Metodología de Bowyer Bader
σtc=f (ε
tc ), σ
tm = f(ε
tm) E
tF lF dF
Metodología de Bowyer Bader
σtc=f (ε
tc ), σ
tm = f(ε
tm) E
tF lF dF
ττ
σtFσ
tF
Modelo de Kelly Tyson
σtc , , τ, dF, lF
Modelo de Kelly Tyson
σtc , , τ, dF, lF
EtFE
tF
χ1
χ1
Figura 3.18. El esquema de cálculos.
Aplicando la fórmula del modelo de Hirsch (ec.3.2.12) se determina el módulo elástico
intrínseco de las fibras de refuerzo, que resulta ser de 23 GPa.
La parte más sofisticada de cálculos se basa en buscar los valores: Rexp (ec.3.2.15) y R*
(ec.3.2.16.). Los miembros X1 X2 Y1 Y2 Z1 Z2 (ec.3.2.9-11) se calculan partiendo de las
deformaciones en dos puntos ε1 y ε 2 los que proporcionan a su vez dos valores de σ 1 y σ 2
(ec.3.2.13 y 14) para encontrar Rexp.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 45
22
11exp Z
ZR
−−=
σσ
Ecuación 3.2.15
22
11*YX
YXR
++
= Ecuación 3.2.16
Se prosigue a encontrar que las dos R se igualan cuando el factor χχχχ1 desaparece (ec. 3.2.17).
22
11exp Z
ZR
−−=
σσ
=)(
)(
221
111
YX
YX
++
χχ
Ecuación 3.2.17
El valor R*, es función de la τ, por lo tanto se busca por la iteración un valor de la tensión
interfacial τ hasta ajustar lo máximo posible la ecuación Rexp = R* (ec.3.2.17).
En la figura 3.19 se muestra un ejemplo de la hoja de cálculos Excel preparada para el modelo
Bowyer-Bader y Kelly-Tyson. Las casillas rojas contienen los valores de Rexp y R*, la casilla
naranja la τ. Con la τ obtenida se calcula aplicando el modelo Kelly-Tyson la resistencia
teórica del compuesto Cσ que tiene que coincidir con la experimentada, casillas azules. Si no
coinciden los valores de Cσ entonces se repite la iteración hasta encontrar el valor de la τ
satisfactorio.
Los valores obtenidos para el presente material son:
Tensión interfacial τ = 12.16 MPa
Orientación espacial de las fibras χχχχ1 = 0.46
Resistencia intrínseca de la fibra σσσσF = 615 MPa
Longitud crítica de las fibras Lf c = 518.6 µm
46 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
Figura 3.19. Hoja de cálculos Excel para la resolución de la ecuación de Kelly-Tyson.
PP, HDPE reforzado con fibras de cartón 47
4. CONCLUSIONES
A partir de polímeros PP y HDPE se han fabricado compuestos reforzados con fibras de
cartón reciclado “fluttiing”, con y sin agente de acoplamiento.
Las principales conclusiones que se han obtenido son:
• Se ha demostrado la utilidad y la posibilidad de aplicación de fibras de cartón
reciclado para producir materiales compuestos de PP y HDPE con características
mecánicas competitivas. Se pone de manifiesto la efectividad de la adición del agente
de acoplamiento con el cual aumenta la eficacia de la interfase. La mejor relación en
peso de refuerzo respecto a la matriz polimérica es de 40% y 50% con un 6% del
agente compatibilizante. No obstante el compuesto de 50% de refuerzo es algo más
frágil que el de 40%, ya que con el aumento de la resistencia a tracción y flexión el
compuesto se hace menos resistente frente al impacto. Los compuestos de PP superan
a los compuestos de HDPE en todas sus características.
• La preparación de fibra de modo químico es más tediosa y lenta pero favorece la
dispersión de las fibras en la matriz, y consecuentemente el compuesto final presenta
mejores características con respecto a los compuestos con fibra desintegrada
mecánicamente.
• La tensión interfacial y el factor de orientación de las fibras en el material compuesto
de PP con un 40% de MAPP se ha evaluado a través del modelo Kelly Tyson,
aplicando la metodología de cálculo propuesta por Bowyer-Bader. Con ello se ha
determinado también la resistencia intrínseca de las fibras “flutting” en el interior del
material compuesto.
• Desde el punto de vista económico y de sostenibilidad las ventajas de utilización de
fibras de cartón son evidentes.
48 PP, HDPE reforzado con fibras de cartón
5. BIBLIOGRAFÍA
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