Post on 26-Sep-2018
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS EN OPCIÓN AL GRADO DE INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
APROVECHAMIENTO DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS DURANTE LA
ELABORACIÓN DE PAPEL KRAFT EN PAPELERA NACIONAL S.A.
AUTORA:
PERALTA SOLÍS KARLA KARINA
TUTOR:
ING. LUIS BONILLA ABARCA, MSc
GUAYAQUIL – ECUADOR, Septiembre del 2014
ii
CERTIFICADO DEL TUTOR
La investigación de Grado titulado “APROVECHAMIENTO DE LOS RESIDUOS
SÓLIDOS GENERADOS DURANTE LA ELABORACIÓN DE PAPEL KRAFT EN
PAPELERA NACIONAL S.A.” fue realizado en su totalidad por la egresada Karla
Karina Peralta Solís, bajo mi supervisión, como requerimiento previo para la obtención
del Título de Ingeniero Químico.
---------------------------------------------------------------
ING. QCO. LUIS BONILLA ABARCA, MSc
DIRECTOR DE LA INVESTIGACIÓN
iii
AUTORÍA
Las interpretaciones que se obtienen en este trabajo de investigación, son de absoluta
responsabilidad de la autora.
------------------------------------------------------
PERALTA SOLÍS KARLA KARINA
iv
DEDICATORIA
Éste trabajo está dedicado a mi familia, mis padres y hermanos, por la infinita ayuda
que me extendieron desde la niñez, los constantes esfuerzos, sacrificios y consejos que
me motivaron a perseverar en alcanzar este logro, gracias a ellos cada día soy una
mejor persona y dejan en mí el más valioso regalo de la vida: la educación, por lo cual,
comparto este triunfo con ustedes que son el motor de mi vida, mi alegría, gracias a
Dios por tenerlos, y ahora, a ir por más.
Dios nos bendiga.
v
AGRADECIMIENTOS
Inmensa y eternamente a Dios por brindarme la oportunidad de culminar esta etapa con bendición, felicidad y
amor, y sé que continuará haciendo grandes cosas en mi vida.
A mis amados padres, Alex Peralta y Ana Solís, por darme en todo sentido su apoyo absoluto e incondicional,
guía e inculcarme con amor los mejores valores que han hecho de mí una gran persona. Así también a mis
hermanos que me estimulaban constantemente.
A mi Dieguito, el mejor compañero de vida que Dios ha puesto en mi camino, por luchar y compartir juntos no
solo en tiempos de alegría, sino también de adversidad, por su incomparable ayuda y amor, le agradezco.
A mi tutor de Tesis, Ing. Luis Bonilla Abarca, MSc, por brindarme orientación, tiempo y dedicación para la
elaboración de este trabajo, le agradezco además por el aporte de los conocimientos adquiridos.
Al Ing. Marco González e Ing. Fabricio Rodas, quienes aprecio y estimo por la guía, apoyo y amistad extendida
durante todo el desarrollo de mi trabajo de tesis. De igual manera a la empresa Papelera Nacional por
permitirme y facilitar la ejecución de esta investigación. A mis compañeros y amigos de Papelera Nacional
quienes estuvieron siempre prestos a ayudarme e hicieron también posible el desarrollo de este trabajo.
Al Instituto de Investigaciones Tecnológicas y Laboratorio de Suelos y Materiales Ing. Dr. Arnaldo Ruffilli,
sus directivos y empleados por colaborarme sobremanera en la realización y culminación de mi tesis.
A la Ing. Janet Benítez de Garnica por su auxilio y consejos ante los inconvenientes presentados, al Ing.
Douglas Rentería y Sr. Girón por la colaboración brindada para el desarrollo de esta investigación.
A la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Guayaquil y todos sus docentes por darme la
oportunidad de culminar mis estudios con las mejores enseñanzas impartidas y con ello la apertura de
desarrollarme profesionalmente.
vi
CONTENIDO
CERTIFICADO DEL TUTOR ............................................................................................ ii
AUTORÍA ........................................................................................................................ iii
DEDICATORIA ................................................................................................................ iv
AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... v
CONTENIDO ................................................................................................................... vi
INDICE DE FIGURAS .................................................................................................... xii
ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................................ xiii
INDICE DE FOTOS ....................................................................................................... xiv
NOMENCLATURA ........................................................................................................xvii
RESUMEN .................................................................................................................... xix
ABSTRACT .................................................................................................................... xx
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
CAPÍTULO I: ASPECTOS GENERALES ......................................................................... 6
1.1 PROBLEMA............................................................................................................ 6
1.2 DIAGNÓSTICO DEL PROBLEMA .......................................................................... 6
1.3 JUSTIFICACIÓN (BENEFICIARIOS) ..................................................................... 7
1.4 OBJETIVOS A ALCANZAR EN LA INVESTIGACIÓN ............................................ 8
1.4.1 GENERAL ........................................................................................................ 8
1.4.2 ESPECÍFICOS ................................................................................................. 8
1.5 HIPÓTESIS ............................................................................................................ 9
1.6 METODOLOGÍA A SEGUIR EN LA INVESTIGACIÓN .......................................... 9
2. CAPÍTULO II: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ............................................................ 10
2.1 ESTUDIOS REALIZADOS Y ACTUALIZADOS .................................................... 10
2.1.1 Estudios de materiales compuestos en el mundo .......................................... 10
2.2 GENERACIÓN DE RESIDUOS EN LA INDUSTRIA PAPELERA ........................ 12
2.2.1 Proceso de producción de la Industria papelera. Introducción al proceso. .... 12
2.2.1.1 Producción de pasta de papel ................................................................. 14
2.2.1.2 Fabricación de papel ............................................................................... 15
2.2.2 Residuos de la industria del papel ................................................................. 16
vii
2.2.3 Desecho industrial de Papelera Nacional S.A. Breve descripción. ................ 18
2.2.3.1 Flujograma de la Elaboración de papel kraft en Papelera Nacional S.A. y
generación del residuo industrial papelero ............................................................. 19
2.2.3.2 Situación actual de la disposición final del residuo industrial papelero ... 21
2.2.3.3 Posibles usos del residuo industrial papelero de Papelera Nacional
S.A……… ................................................................................................................ 23
2.3 MATERIALES COMPUESTOS ............................................................................ 24
2.3.1 Descripción .................................................................................................... 24
2.3.2 Constituyentes ............................................................................................... 24
2.3.3 Madera Plástica Compuesta .......................................................................... 31
2.3.3.1 Descripción y composición ...................................................................... 32
2.3.3.2 Obtención ................................................................................................ 34
2.3.3.3 Características ........................................................................................ 35
2.3.3.4 Usos y aplicaciones ................................................................................. 35
2.4 PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS ................................................................ 35
2.4.1 Propiedades Físicas ...................................................................................... 35
2.4.1.1. Densidad aparente .................................................................................. 36
2.4.1.2. Contenido de Humedad........................................................................... 36
2.4.1.3. Hinchamiento .......................................................................................... 36
2.4.2 Propiedades Mecánicas ................................................................................. 37
2.4.2.1 Compresión ............................................................................................. 38
2.4.2.2 Flexión ..................................................................................................... 40
2.4.2.3 Carga y Esfuerzo ..................................................................................... 42
2.4.2.4 Diagrama Esfuerzo – Deformación ......................................................... 43
2.4.2.5 Ley de Hooke. Módulo de Elasticidad. .................................................... 45
CAPÍTULO III: MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................. 47
3.1 CARACTERIZACIÓN DEL RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO (MATERIA
PRIMA) ........................................................................................................................... 47
3.1.1 Ubicación de la caracterización ..................................................................... 47
3.1.2 Clasificación y cuantificación por su naturaleza ............................................. 47
3.1.3 Determinación de humedad ........................................................................... 48
3.2 PREPARACIÓN DEL RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO (MATERIA PRIMA) 49
viii
3.2.1 Ubicación de la experimentación ................................................................... 49
3.2.2 Polietileno de alta densidad ........................................................................... 50
3.2.3 Residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. ................................. 50
3.2.3.1 Recolección y Recepción de la materia prima ......................................... 51
3.2.3.2 Secado .................................................................................................... 51
3.2.3.3 Selección de materiales impropios .......................................................... 52
3.2.3.4 Trituración Primaria y Secundaria ........................................................... 53
3.3 ELABORACIÓN DE LOS PERFILES DEL MATERIAL COMPUESTO (MADERA
PLÁSTICA) ..................................................................................................................... 54
3.3.1 Ubicación de la experimentación ................................................................... 54
3.3.2 Proporciones .................................................................................................. 54
3.3.3 Pesado de materias primas ........................................................................... 56
3.3.4 Mezclado ........................................................................................................ 56
3.3.5 Extrusión ........................................................................................................ 56
3.3.6 Enfriamiento ................................................................................................... 57
3.4 LISTADO DE EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS ...................................... 58
3.5 EVALUACIÓN MECÁNICA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS .................. 59
3.5.1 Ubicación de la evaluación ............................................................................ 59
3.5.2 Normas para la evaluación mecánica ............................................................ 59
3.5.3 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN ...................................................................... 60
3.5.3.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 60
3.5.3.2 Equipo y aparato de prueba .................................................................... 60
3.5.3.3 Procedimiento ......................................................................................... 60
3.5.3.4 Fórmula ................................................................................................... 60
3.5.4 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ............................................................. 61
3.5.4.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 61
3.5.4.2 Equipo y aparato de prueba .................................................................... 61
3.5.4.3 Procedimiento ......................................................................................... 62
3.5.4.4 Fórmula ................................................................................................... 62
3.6 EVALUACIÓN FISICA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS .......................... 63
3.6.1 Ubicación de la evaluación ............................................................................ 63
ix
3.6.2 Normas para la evaluación física ................................................................... 63
3.6.3 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD.................................. 64
3.6.3.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 64
3.6.3.2 Equipos y materiales ............................................................................... 64
3.6.3.3 Procedimiento ......................................................................................... 64
3.6.3.4 Fórmula ................................................................................................... 65
3.6.4 DETERMINACIÓN DE LA ABSORCIÓN DE AGUA POR SUMERSIÓN
TOTAL A 2 Y 24 HORAS ............................................................................................ 65
3.6.4.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 65
3.6.4.2 Equipos y materiales ............................................................................... 65
3.6.4.3 Procedimiento ......................................................................................... 65
3.6.4.4 Fórmula ................................................................................................... 66
3.6.5 DETERMINACION DEL HINCHAMIENTO POR SUMERSION TOTAL A 2 Y
24 HORAS .................................................................................................................. 67
3.6.5.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 67
3.6.5.2 Equipos y materiales ............................................................................... 67
3.6.5.3 Procedimiento ......................................................................................... 67
3.6.5.4 Fórmula ................................................................................................... 68
3.6.6 DETERMINACION DE DENSIDAD ............................................................... 68
3.6.6.1 Dimensiones de las probetas .................................................................. 68
3.6.6.2 Equipos y materiales ............................................................................... 69
3.6.6.3 Procedimiento ......................................................................................... 69
3.6.6.4 Fórmula ................................................................................................... 69
3.7 INGENIERÍA DE PROCESOS .............................................................................. 70
3.7.1 Diagrama de flujo básico del proceso ............................................................ 70
3.7.2 Diagrama por equipo del proceso .................................................................. 71
CAPITULO IV ................................................................................................................. 72
ANÁLISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS ........................................................ 72
CAPITULO IV: ANÁLISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS ............................... 72
4.1 BALANCE DE MATERIA DEL PROCESO ........................................................... 72
4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES .................................................................... 75
x
4.2.1 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA O
RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO ......................................................................... 75
4.2.1.1. Cálculos y tabla de resultados de la caracterización del residuo industrial
papelero…. ................................................................................................................. 75
Análisis e Interpretación de Resultados de la caracterización del residuo industrial
papelero ................................................................................................................... 78
4.2.2 RESULTADOS DE PARÁMETROS MECÁNICOS DE LAS PROBETAS DEL
MATERIAL COMPUESTO (MADERA PLÁSTICA) ..................................................... 79
4.2.2.1 Cálculos y tabla de resultados de Resistencia a la flexión ...................... 79
Análisis e Interpretación de Resultados de Resistencia a la Flexión ....................... 81
4.2.2.2 Cálculos y tabla de resultados de Resistencia a la compresión .............. 84
Análisis e Interpretación de Resultados de Resistencia a la Compresión ............... 87
4.2.3 RESULTADOS DE PARÁMETROS FÍSICOS DE LAS PROBETAS DEL
MATERIAL COMPUESTO (MADERA PLÁSTICA) ..................................................... 89
4.2.3.1 Cálculos y tabla de resultados del contenido de humedad...................... 89
Análisis e Interpretación de Resultados de Contenido de Humedad ....................... 90
4.2.3.2 Cálculos y tabla de resultados de la Absorción de agua por sumersión
total a 2 y 24 horas .................................................................................................. 90
Análisis e Interpretación de Resultados de Absorción de Agua ............................... 91
4.2.3.3 Cálculos y tabla de resultados del hinchamiento por sumersión total a 2 y
24 horas… ............................................................................................................... 92
Análisis e Interpretación de Resultados del hinchamiento ....................................... 94
RECOMENDACIONES Y OBSERVACIONES ............................................................... 95
CONCLUSIONES ........................................................................................................... 98
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ................................................................................... 100
ANEXOS ...................................................................................................................... 108
xi
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1. Dosificaciones de Residuo industrial papelero/PEAD para la formación de las
probetas del material compuesto (madera plástica compuesta)………………………….55
TABLA 2. Composición porcentual promedio estimada del residuo industrial papelero
generado en los equipos del Molino 1……………………………………………………....75
TABLA 3. Composición porcentual promedio estimada del residuo industrial papelero
generado en los equipos del Molino 2……………………………………………………….76
TABLA 4. Resultados de la caracterización del residuo industrial papelero…………….77
TABLA 5. Estimativo de las toneladas por mes de los diferentes componentes
(humedad, fibra, plástico y otros) enviadas al relleno industrial en el año 2013………..78
TABLA 6. Resultados de Resistencia a la flexión de maderas plásticas compuestas:
desecho sólido industrial de PANASA/PEAD……………………………………………….80
TABLA 7. Resultados de Resistencia Última de compresión de materiales compuestos
(maderas plásticas compuestas)……………………………………………………………..85
TABLA 8. Resultados de Resistencia a la Rotura de compresión de materiales
compuestos (maderas plásticas compuestas)………………………………………………85
TABLA 9. Resultados de Contenido de Humedad………………………………………….89
TABLA 10. Resultados de Absorción de agua (Aa) a 2 horas…………………………….91
TABLA 11. Resultados de Absorción de agua (Aa) a 24 horas…………………………..91
TABLA 12. Resultados de Hinchamiento a 2 horas de sumersión……………………….93
TABLA 13. Resultados de Hinchamiento a 24 horas de sumersión……………………...93
xii
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. Diagrama Ciclo de los residuos del reciclaje del papel…………………..……2
FIGURA 2. Mercado global para las aplicaciones de compuestos de madera
plástica............................................................................................................................11
FIGURA 3. Microfibrillas de la celulosa……………………………………………………...13
FIGURA 4. Proceso de fabricación de la pasta de papel, papel y cartón a partir de papel
recuperado………………………………………………………………………………………15
FIGURA 5. Flujograma de la Elaboración de papel kraft en Papelera Nacional S.A. y
punto de generación del residuo industrial papelero………………………………………20
FIGURA 6. Procedimiento para el manejo de los residuos industriales luego de
generarse en las etapas de depuración y limpieza…………………………………………21
FIGURA 7. Componentes de los materiales compuestos…………………………………25
FIGURA 8. Disposición de las fibras de refuerzo. a) Unidireccional (fibras largas), b)
Aleatoria (fibras cortas), c) Ortogonal (mallas ortogonales) y d) En capas alternas……29
FIGURA 9. Estructuras de materiales compuestos. a) Laminados b) Sándwich……….30
FIGURA 10. Diagrama Esquemático de una extrusora……………………………………34
FIGURA 11. Representación esquemática de la orientación de fibras como refuerzo en
un material compuesto (a) continua y alineada (b) discontinua y alineada, y (c)
discontinua al azar……………………………………………………………………………..38
xiii
FIGURA 12. Elemento sometido a compresión…………………………………………….39
FIGURA 13. Compresión Paralela a la fibra………………………………………………...40
FIGURA 14. Compresión Perpendicular a la fibra………………………………………….40
FIGURA 15. Viga en ensayo de Flexión estática…………………………………………...41
FIGURA 16. Viga en flexión estática…………………………………………………………41
FIGURA 17. Diagrama esfuerzo-deformación………………………………………………44
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1. Toneladas por mes del residuo Industrial Papelero generados en el
2013……………………………………………………………………………………………...22
GRÁFICO 2. Resultados de la caracterización del residuo industrial papelero………..77
GRÁFICO 3. Esfuerzo de flexión vs Deformación para las diferentes probetas
ensayadas………………………………………………………………………………………81
GRÁFICO 4. Primer ensayo de Resistencia o Esfuerzo de Compresión vs Deformación
para las diferentes probetas ensayadas……………………………………………..…..…86
GRÁFICO 5. Segundo ensayo de Resistencia o Esfuerzo de Compresión vs
Deformación para las diferentes probetas ensayadas……………………………..……..87
xiv
INDICE DE FOTOS
FOTO 1. Clasificación del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A., por su
naturaleza……………………………………………………………………………………...48
FOTO 2. Determinación del contenido de humedad……………………………………...49
FOTO 3. Polietileno de alta densidad (HDPE)……………………………………………..50
FOTO 4. Recolección del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. desde
el punto de apilamiento………………………………………………….…………………….51
FOTO 5. Secado del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. a la
intemperie……………………………………………………………………………………….51
FOTO 6. (a) Selección de materiales impropios. (b) Materiales impropios del residuo
industrial papelero de Papelera Nacional S.A………………………………………………52
FOTO 7. Trituradora de cuchillas…………………………………………………………...108
FOTO 8. Residuo Industrial Papelero triturado con la trituradora de cuchillas………...108
FOTO 9. Trituradora de martillos……………………………………………………………108
FOTO 10. Residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. triturado…………..108
FOTO 11. Martillos de la trituradora de martillos………………………………………….109
FOTO 12. Material retenido por la tamiz de la trituradora de martillos durante la
trituración secundaria………………………………………………………………………...109
xv
FOTO 13. Molino de bolas para mezclado del residuo industrial papelero y material
retenido de la trituración secundaria………………………………………………………..109
FOTO 14. Mezcladora de materias primas: Residuo industrial papelero/PEAD………109
FOTO 15. Toma de temperaturas externas de las resistencias externas de la
extrusora……………………………………………………………………………………….110
FOTO 16. Dosificación de materias primas a la extrusora……………………………….110
FOTO 17. Extrusora con molde pequeño para la obtención de probetas del material
compuesto (madera plástica compuesta)………………………………………………….110
FOTO 18. Extrusora con molde grande para la obtención de probetas del material
compuesto (madera plástica compuesta)………………………………………………….110
FOTO 19. Pesaje de probeta para compresión para determinación de densidad…….111
FOTO 20. Pesaje de probeta para flexión para determinación de densidad…………..111
FOTO 21. Equipo para la evaluación de la resistencia a la compresión y flexión…….111
FOTO 22. Probetas del material compuesto para ensayo de Flexión………………….112
FOTO 23. Probeta colocada para la aplicación de la carga en ensayo de Resistencia a
la Flexión……………………………………………………………………………………....112
FOTO 24. Probeta después de ensayo de Resistencia a la Flexión……………………112
FOTO 25. Probetas del material compuesto rotas en el ensayo de Flexión…………...113
FOTO 26. Probetas para el ensayo de Resistencia a la Compresión…………………..113
xvi
FOTO 27. Probeta colocada para la aplicación de la carga en ensayo de Resistencia a
la Compresión…………………………………………………………………………………114
FOTO 28. Probeta después de ensayo de Resistencia a la Compresión……………...114
FOTO 29. Probetas ensayadas en prueba de Resistencia a la Compresión………….114
FOTO 30. Determinación del contenido de humedad de los materiales compuestos
obtenidos………………………………………………………………………………………115
FOTO 31. Probetas durante ensayo de Absorción e hinchamiento por sumersión…..115
FOTO 32. Microscopio Digital conectado al computador para tomar fotografías de las
probetas del material compuesto (madera plástica compuesta)………………………...116
FOTO 33. Micrografías de la sección externa de las probetas del material compuesto
(madera plástica compuesta)………………………………………………………………..116
FOTO 34. Micrografías de la sección interna de las probetas del material compuesto
(madera plástica compuesta)………………………………………………………………..117
FOTO 35. Madera plástica empleada en camineras en la Isla Santay…………………117
FOTO 36. Ecoaldea construida con madera plástica en la Isla Santay………………...117
xvii
NOMENCLATURA
Ro= Residuo Papelero a la entrada de la etapa de recolección y recepción.
RR= Residuo Papelero a la salida de la etapa de recolección y recepción o a la entrada
de la etapa de secado.
S= Residuo Papelero a la salida de la etapa de Secado o entrada de la etapa de
Separación de materiales impropios.
RP= Residuo Papelero a la salida de la etapa de separación de materiales impropios o
a la entrada de la Trituración Primaria.
RPG= Residuo Papelero Grueso a la salida de la Trituración Primaria o a la entrada de
la Trituración Secundaria.
RPF= Residuo Papelero Fino a la salida de la Trituración Secundaria o a la entrada de
la Extrusión.
V= Viga extruida a la salida de la extrusión.
BH= Base Húmeda.
BS= Base Seca.
M.H.= Muestra Húmeda, en Kg.
M.S.= Muestra Seca, en Kg.
RF= Esfuerzo o Resistencia a la Flexión, en Kg/cm2
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
L= Longitud entre apoyos, en cm.
a= ancho, en cm.
b= alto, en cm.
ϵ= Epsilon (Deformación Unitaria), mm/mm (adimensional).
xviii
AH= Deformación leída durante la prueba, en mm.
H= Altura inicial, en mm.
A1= Área corregida, en cm2.
Ao= Área inicial, en cm2.
RC= Esfuerzo o resistencia a la Compresión, en Kg/cm2.
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
CH = Contenido de Humedad, en porcentaje.
mo = Peso inicial de la muestra, en gramos.
m1 = Peso de la muestra seca, en gramos.
Aa = Absorción de agua, en porcentaje.
P1 = Peso de la probeta después de la sumersión, en gramos.
Po = Peso de la probeta antes de la sumersión, en gramos.
H= Hinchamiento, en porcentaje.
V1= Volumen después de la sumersión, en cm3.
Vo= Volumen antes de la sumersión, en cm3.
RPF50-PE50= Residuo Papelero Fino 50% - Polietileno de Alta Densidad 50%
RPF60-PE40= Residuo Papelero Fino 60% - Polietileno de Alta Densidad 40%
RPF70-PE30= Residuo Papelero Fino 70% - Polietileno de Alta Densidad 30%
RPF80-PE20= Residuo Papelero Fino 80% - Polietileno de Alta Densidad 20%
RPF100= Residuo Papelero Fino 100%
RPG50-PE50= Residuo Papelero Grueso 50% - Polietileno de Alta Densidad 50%
RPG100= Residuo Papelero Grueso 100%
xix
RESUMEN
El presente proyecto demuestra la factibilidad de elaborar un material compuesto como
madera plástica, utilizando el residuo sólido industrial papelero generado en las etapas
de limpieza y depuración de los molinos 1 y 2 durante la elaboración de pasta de papel
y papeles kraft de Papelera Nacional S.A. En primera instancia se realizó una
caracterización del residuo industrial papelero a emplear. En segunda instancia se
preparó este residuo o materia prima para la elaboración de los perfiles rectangulares
del material compuesto (madera plástica), en diferentes etapas como: secado,
clasificación y eliminación de materiales impropios y trituración. En tercera instancia se
procedió a la elaboración de los perfiles del material compuesto, con el 100% de su
composición en peso de residuo industrial papelero, además se consideró los efectos
de variar la composición en peso del residuo realizando diferentes dosificaciones de
polietileno de alta densidad (reciclado), para lo cual se emplearon porcentajes desde
50, 40, 30 y 20% de este último. Finalmente se analizó los efectos de la variación del
porcentaje del Residuo Industrial Papelero-PEAD mediante la evaluación de
propiedades físicas, tales como determinación del contenido de humedad, densidad,
absorción e hinchamiento a 2 y 24 horas de sumersión, así como las propiedades
mecánicas mediante los ensayos de flexión y compresión, para lo cual se cortaron los
perfiles en probetas con las dimensiones de acuerdo a las normas establecidas para
estos ensayos.
PALABRAS CLAVES: MATERIAL COMPUESTO, MADERA PLÁSTICA, RESIDUO
SÓLIDO INDUSTRIAL PAPELERO, PASTA DE PAPEL Y PAPELES KRAFT,
PERFILES, POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD, PROBETAS.
xx
ABSTRACT
This project demonstrates the feasibility of preparing a composite material such as wood
plastic composite, using the paper industrial solid waste generated in the steps of
cleaning and treating mills 1 and 2 during the production of pulp and kraft papers of
Papelera Nacional S.A. A characterization of the paper to use industrial waste was
performed in the first instance. Secondly this waste or raw material for the preparation of
the rectangular shapes of the composite (plastic wood), at different stages as prepared:
drying, sorting and disposal of unsuitable materials and shredding. In the third instance
we proceeded to the preparation of the composite profiles, with 100% of the composition
by weight of paper industrial waste, as well they consider the effect of varying the
composition of the residue weight performing different dosages of high-density
polyethylene (recycling), to which percentages were used for 50, 40, 30 and 20% of the
latter. Finally the effects of the variation of the percentage of Paper Industrial Waste and
HDPE was analyzed by evaluating the physical characteristics, such as determining the
moisture content, density, absorption and swelling at 2 and 24 hours of submersion
properties and mechanical properties by the bending and compression tests, for which
profiles were cut into specimens with dimensions according to established norms for
these tests.
KEYWORDS: COMPOSITE, WOOD PLASTIC, PAPER INDUSTRIAL SOLID WASTE,
PULP AND PAPER KRAFT, PROFILES, HIGH DENSITY POLYETHYLENE,
SPECIMENS.
1
INTRODUCCIÓN
Las industrias de elaboración de pasta de papel y papel kraft (papel resistente cuyo
nombre deriva del alemán que significa fuerte), como Papelera Nacional S.A., cuya
materia prima únicamente consiste en papeles y cartones reciclados del tipo kraft,
diariamente generan altos volúmenes de residuos sólidos industriales (cabe mencionar
que dentro de esta empresa los identifican como Desechos Industriales, puesto que
para la misma no tienen ningún valor, es importante aclarar que la palabra desecho
denota aquella parte de un residuo que no tiene ninguna utilidad o de la que no puede
obtenerse ningún provecho, es por tal motivo que dentro de esta investigación nos
referiremos a ellos como Residuos Industriales Papeleros) que son materiales
impropios e impurezas que vienen acompañando a estos materiales recuperados por
chamberos o recolectores, por lo que es necesario separarlos mecánicamente durante
elaboración de la pasta del papel y papel en mención, tales son generados en las
etapas de limpieza y depuración de los molinos 1 y 2 de esta industria, asegurando así
la calidad de los mismos. Estos residuos se componen fundamentalmente por plásticos,
metales, piedras, arenas, trozos de madera, vidrios e incluso fibra de papel que no se
disgregó durante la obtención de la pasta, todo esto presentándose con elevado
contenido de humedad.
Un gran volumen de los residuos generados tienen su origen en la ineficiente
separación de estos (plásticos, metales, grapas, cintas adhesivas, etc.), ya que no han
sido retirados por los agentes anteriores de la cadena del reciclaje del papel usado,
desde los consumidores hasta su entrega final en la fábrica de papel. Muchos de estos
2
residuos son "inevitables" e inherentes a los usos del papel, como las grapas o la cinta
adhesiva de las cajas. (ASPAPEL, 2008)
FIGURA 1. Diagrama Ciclo de los residuos del reciclaje del papel. FUENTE:
ASPAPEL, 2008.
3
Es así como la industria Papelera Nacional S.A. se ha visto obligada al manejo de estos
residuos industriales, que desde inicio de sus operaciones hasta la actualidad, su
disposición se ha realizado únicamente en rellenos industriales. Sin embargo, los
inconvenientes medioambientales han persistido, debido al gran volumen que ocupan y
extenso período de degradación, puesto que se trata de un residuo que es difícil de
disgregar en sus diferentes componentes para reciclarlo en corrientes independientes,
de modo que para esto se aplica dentro de este estudio el método secundario del
reciclaje que es el más empleado y consiste en la fusión de residuos haciéndolos pasar
por un extrusor para obtener productos de diferentes formas y con mayor espectro de
aplicaciones.
Dentro de la jerarquía establecida en las leyes, en cuanto a la gestión de residuos, se
citan la Reducción, Reutilización o Reciclaje, Valorización (aprovechando los
componentes químicos del plástico) y por último el Vertido (en un relleno industrial o
vertedero). Es por tal motivo que en la actualidad se exige el aprovechamiento de los
residuos a tal punto de salvaguardar el ecosistema y salud pública, dejando como
remota opción su disposición final en un relleno industrial.
Es importante recalcar que las autoridades de control, hoy en día han impulsado de
manera agresiva el manejo sostenible de los residuos, para lo cual se ha emitido una
legislación que exige a las empresas el desarrollar e implementar estrategias de manejo
de sus residuos sólidos tanto peligrosos como los no peligrosos.
Son muchos los recursos que se encuentran disponibles en nuestro medio, inclusive en
las inmensas montañas de basura, donde muchas veces consideramos solo existen
materiales sin provecho, podremos encontrar materiales que pueden tener una segunda
4
utilidad a través de un adecuado e inteligente proceso de reciclaje, ahorrando y
preservando los recursos que le quedan y generando un beneficio económico.
Los residuos separados mecánicamente durante la elaboración de pasta de papel y
papel kraft, al presentar varios tipos de polímeros en mayor proporción en relación a los
otros componentes, como se indicó anteriormente, y además de ser separados con fibra
de papel adherida (celulosa), lo hacen de cierto modo apto para la obtención de
materiales compuestos. Es importante mencionar como indican Bohada y Quisanga
(2011), que muchos de los proyectos que realizan estos materiales compuestos como
madera plástica, proceden a una clasificación de acuerdo a la resina, ya que son
termodinámicamente incompatibles unas con las otras. Además que los plásticos van
perdiendo algunas de sus propiedades originales en el proceso de reciclaje, por lo que
resulta necesario agregar una serie de aditivos que les permitan recuperarlos. Este dato
se vuelve interesante por el hecho de que se sugiere que el residuo industrial papelero
que será aprovechado en este estudio contiene mezclas de diferentes polímeros.
Los polímeros desde su aparición hasta la fecha, se han vuelto atractivos para ser
utilizados en campos donde antes solo se usaba metales, maderas, o cerámicos,
debido a las múltiples aplicaciones y facilidades para ser transformados. El
mejoramiento de los polímeros con refuerzos de fibras vegetales, han hecho que se
produzcan los materiales reforzados (composites en inglés), lo cual permite diseñar el
material a usar. (Córdoba, Mera, Martínez y Rodríguez, 2010).
Estos materiales reforzados o compuestos se obtienen al combinar las propiedades de
diferentes tipos de materiales con propiedades mejoradas o útiles para aplicaciones
específicas (Guerrero et al., 2011). Resultan de la unión de dos o más materiales, los
5
mismos que poseen propiedades físicas o químicas diferentes y que dentro de la
estructura final se mantienen separados ya sea a nivel macro o microscópico.
(Guerrero, Villamar, & Galeas, s.f.)
Es por tal motivo que en el presente estudio nos enfocaremos en el aprovechamiento
de los residuos industriales papeleros, factibles como materia prima para la obtención
de materiales compuestos como madera plástica, contribuyendo con una solución a
este problema que aqueja dentro de la empresa y con ello reducir los impactos al
ambiente que se pueden estar generando en el vertido.
Cabe resaltar que los resultados que se obtuvieron en este proyecto fueron
satisfactorios, ya que pudo demostrarse la factibilidad de la obtención de maderas
plásticas compuestas, representando una base para investigaciones futuras.
6
CAPITULO I
LA INVESTIGACIÓN (EL PROBLEMA)
CAPÍTULO I: ASPECTOS GENERALES
1.1 PROBLEMA
Falta del aprovechamiento y disposición final sostenible de los residuos sólidos
generados en el proceso de limpieza y depuración durante la producción de papeles
Kraft, de una planta recicladora.
1.2 DIAGNÓSTICO DEL PROBLEMA
La empresa Papelera Nacional S.A., se encuentra ubicado en el cantón Marcelino
Maridueña, la misma que durante varios años se ha dedicado al reciclaje de cartones
que son adquiridos tanto en el mercado local como en el internacional, estos son
colectados por recicladores, es decir personas dedicadas a la recolección de residuos
en las calles, botaderos, industrias, comercio, etc., los cuales reúnen materiales tales
como cartones y papeles de residuo generados en las actividades diarias de las
personas e industrias, tales constituyen la materia prima de la industria del papel
reciclado del tipo Kraft que es la base de la elaboración de las cajas de cartón.
El gran inconveniente presentado durante el proceso de producción del papel kraft, está
dado por la cantidad de stickers o cintas de pegar, plásticos, grapas y otros
contaminantes que traen adheridos consigo el cartón y papeles de residuo reciclados
que sirven de materia prima para este proceso siendo eliminados durante las fases de
producción, en especial en la limpieza y depuración del papel Kraft, ya que para la
7
preparación de la pasta de papel, es importante que se obtenga una pasta totalmente
libre de estas impurezas que será la base de la elaboración del papel kraft.
En la empresa se generan un aproximado de 20.000 Kg/día (20Ton/día) de residuos
industriales papeleros, con un contenido de humedad promedio estimado del 63,5%.
1.3 JUSTIFICACIÓN (BENEFICIARIOS)
El presente proyecto de investigación para estudiar el aprovechamiento de los residuos
industriales papeleros generados en Papelera Nacional S.A. justifica plenamente las
bases sentadas por este trabajo para futuras investigaciones que permitan desarrollar y
crear una línea de producción dedicada a la utilización y aprovechamiento de estos
residuos y así llegar a la elaboración industrial de diversos elementos que puedan ser
utilizados para múltiples fines que hoy en día son hechos a partir de la madera,
pudiendo ser aplicado dentro de la empresa y combatir el problema medioambiental
debido a la disposición final en rellenos industriales de elevados volúmenes del residuo
en cuestión con extensos períodos de degradación que éstos tienen, quedando
sepultados durante muchos años en los mismos. Por tal motivo, se considera como los
principales beneficiarios del aprovechamiento de estos residuos a la misma empresa
Papelera Nacional S.A., los cuales se hallan ante la problemática de la disposición final
sostenible exigida por las autoridades de control pertinente, lo que posteriormente
permitirá a sus ejecutivos tomar decisiones de inversiones para dar cumplimiento a los
aspectos legales que se hallan involucrados en el manejo de los residuos y desechos
en el país.
8
Otro beneficiario se consideraría a la sociedad en conjunto al cuidar la salud de nuestro
planeta, mediante el uso de los residuos industriales papeleros para obtener productos
que reemplazan en cierto porcentaje a la madera, frenando la tala de árboles y además
por las plazas de trabajo que se generarían por la industrialización de materiales
compuestos a partir de estos residuos.
1.4 OBJETIVOS A ALCANZAR EN LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 GENERAL
Aprovechar los residuos sólidos generados durante la elaboración de papel kraft en
Papelera Nacional S.A.
1.4.2 ESPECÍFICOS
Clasificar y cuantificar por su naturaleza los residuos industriales papeleros
generados en el proceso de producción de papel kraft.
Realizar pruebas experimentales que demuestren la aplicación de los residuos
sólidos generados durante la elaboración de papel kraft de Papelera Nacional
S.A., en la obtención de un material compuesto como madera plástica.
Obtener resultados que sean una base para futuras investigaciones para la
empresa y de esta forma puedan llegar a la elaboración industrial de diversos
elementos que podrían ser utilizados con diferentes fines.
9
1.5 HIPÓTESIS
Si se aplica un proceso técnico apropiado a los residuos industriales papeleros que se
generan durante la elaboración de papel Kraft en Papelera Nacional S.A., con una
formulación adecuada, se obtendrá un material compuesto como madera plástica con
características y propiedades mecánicas adecuadas para ser usada con diversos fines,
como en ámbitos de la construcción, pudiendo sustituir en cierto porcentaje a la madera
natural.
1.6 METODOLOGÍA A SEGUIR EN LA INVESTIGACIÓN
En base al problema del presente estudio se pudo establecer la metodología de esta
tesis que se sustenta en un enfoque del tipo cuantitativo, puesto que se recolectarán y
analizarán datos y resultados producto de las mediciones en las propiedades físicas y
mecánicas de los materiales compuestos, lo que nos permitirá probar la hipótesis
previamente planteada. El método a seguir para la recopilación de datos dentro de la
investigación será la experimentación, la cual nos otorgará obtener valores estimativos
en promedio de los diferentes componentes (fibra, plásticos y materiales impropios) que
contiene el residuo industrial papelero y nos darán un indicativo de las cantidades que
pueden ser aprovechadas para la obtención de materiales compuestos.
10
CAPITULO II
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2. CAPÍTULO II: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1 ESTUDIOS REALIZADOS Y ACTUALIZADOS
2.1.1 Estudios de materiales compuestos en el mundo
En la actualidad existen una gran variedad de compuestos mixtos que a nivel mundial
están siendo muy investigados debido a las propiedades mejoradas que muestran en
combinación, no obstante algunos problemas aún persisten debido a la deficiente
resistencia mecánica y resistencia al ataque por agua (Solís y Lisperguer, 2002).
Según Bohada y Quisanga (2011), ya se producen productos en base de plásticos
reciclados y fibras naturales, que han sido resultados de esfuerzos y estudios con la
finalidad de minimizar el impacto ambiental que generan los desperdicios como
plásticos y fibras. Entre las principales combinaciones están productos realizados a
base de plástico y aserrín, plástico y fibra de vidrio y plástico más fibras naturales.
Algunos países como EE.UU., Brasil, Colombia, Perú y países europeos desde hace 25
años ya obtienen productos compuestos como viguetas, postes parra cerramientos de
terrenos, bancas para parques, basureros, casetas de guardianía, cajones para
camionetas, etc., extruyendo mezclas de plásticos más fibras naturales.
Según un informe publicado por la BCC Research, se registra un crecimiento anual de
los compuestos de madera plástica de 13,8%, de modo que para el año 2016 se estima
que estos compuestos alcanzarán en el mercado mundial de aplicaciones 4,6 millones
de toneladas métricas, donde los productos para la construcción experimentarán el
mayor crecimiento (BCC Research, 2011).
11
FIGURA 2. Mercado global para las aplicaciones de compuestos de madera
plástica. FUENTE: BCC Research, 2011.
Algunos de los estudios que se pueden mencionar de compuestos mixtos o materiales
compuestos a base de polímero/madera son:
→ Los compuestos mixtos de polietileno con madera de pino y raulí (con cera
poliolefínica como fundente que daba mayor fluidez a las mezclas para
moldearlas) y compuestos mixtos con cloruro de polivinilo y madera de eucaliptus
nitens (con cera poliolefínica y CaCO3 como aditivo endurecedor) (Solís y
Lisperguer, 2002).
→ Madera plástica a base de polipropileno como matriz y como relleno o refuerzo
una mezcla de diferentes maderas escogida al azar en un aserradero y por otro
lado se utilizó madera de amarillo de Guayaquil (Centrolobium ochroxylum), El
compatibilizante usado fue anhídrido maleico para polipropileno (MAPP)
(Guerrero, Villamar y Galeas, s.f.).
12
→ Material compuesto a base de polietileno de alta densidad, grado soplado, que
sirvió como matriz polimérica, mientras que como material de refuerzo se empleó
cisco o cascarilla de café, Anhídrido Maléico (AM) como agente de acople para
promover la adhesión entre las fases, además del agente espumante. (Delgado y
Medina, s.f.).
→ Material compuesto a base de polipropileno y polietileno de alta densidad
reciclados, reforzados con fibra vegetal, tetera (Stromanthe Stromathoides)
(Córdoba, Mera, Martínez y Rodríguez, 2010).
→ Material de madera plástica obtenido con polietileno de alta densidad y polvo de
madera (Huang et al., 2012).
→ Material compuesto de polietileno tereftalato (PET) de post consumo y paja de
trigo, para la elaboración de madera plástica (García, Amado, Casados y Brito,
2013).
2.2 GENERACIÓN DE RESIDUOS EN LA INDUSTRIA PAPELERA
2.2.1 Proceso de producción de la Industria papelera. Introducción al
proceso.
Para la producción de papel y cartón es necesario diferenciar dos etapas o procesos.
La primera etapa, a partir de las fibras de la madera o ya sea desde las fibras de
papeles o cartones reciclados, consiste en la elaboración de la pulpa o pasta de papel
kraft y a partir de ésta, se continua a una segunda etapa que consiste en producción de
los papeles y cartones kraft propiamente dicho. La pasta de papel está formada
principalmente por celulosa (ASPAPEL, 2008).
13
Coultate (1998) expuso que:
La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en la tierra y es un componente
esencial en las paredes celulares de los vegetales. Esta molécula está constituida por
más de mil moléculas o unidades de glucosa que están unidas linealmente por enlaces
β1→4.
Además Espitia H. (2010) indicó que:
Las fibras de celulosa son extremadamente resistentes a esfuerzos de tracción, debido
a que sus cadenas paralelas se alinean sobre un eje longitudinal y establecen un gran
número de puentes de hidrógeno intermoleculares, que dan origen a microfibras
(rodeadas de ligninas y hemicelulosas) altamente estructuradas. La lignina es un
polímero estructural en el que a diferencia de la celulosa tiene enlaces covalentes
adicionales entre las unidades monoméricas, ocupa los espacios existentes entre las
cadenas de celulosa. Sus propiedades mecánicas son menores que las de la celulosa.
El contenido de lignina en la fibras afecta a su estructura, morfología y propiedades
(Lucana, 2008).
FIGURA 3. Microfibrillas de la celulosa. FUENTE: Espitia, 2010.
14
Según ASPAPEL (2008):
La fabricación de papel a partir de fibra virgen y la fabricación de papel reciclado son en
realidad fases sucesivas y complementarias de un continuo: el ciclo de vida de la fibra
de celulosa. Las fibras se extraen de la madera en el proceso de fabricación de la
celulosa, se emplean una primera vez en la fabricación del papel y ese papel, una vez
utilizado, se recupera y se envía de nuevo a las fábricas papeleras, donde se recicla.
Las fibras de celulosa se van deteriorando con los sucesivos usos, por lo que resulta
imprescindible inyectar fibra virgen en el ciclo.
El importante volumen de residuos sólidos no peligrosos que se genera en los procesos
de fabricación de celulosa y papel está en su mayor parte asociado a los procesos de
reciclado del papel.
2.2.1.1 Producción de pasta de papel
Para la producción de la pasta de papel se recurren a procedimientos mecánicos,
químicos o semiquímicos para separar las fibras de celulosa de la madera de la lignina
que las mantiene unidas, ello conlleva a la obtención de varios tipos de celulosa. Se
distinguen varias etapas en el procedimiento químico, el cual va desde el descortezado
de la madera, astillado, cribado, proceso de cocción, lavado, secado, etc. Si la pasta de
papel se obtiene a partir de papel recuperado o reciclado, el procedimiento para la
obtención de esta pasta, se reduce, de modo que el papel recuperado se introduce en
agua y se agita, para obtener una suspensión de fibras de celulosa, luego de haberse
depurado las arenas, plásticos y otros impropios que acompañan al papel usado,
servirán para fabricar el papel y cartón reciclado (ASPAPEL, 2008).
15
FIGURA 4. Proceso de fabricación de la pasta de papel, papel y cartón a partir de
papel recuperado. FUENTE: Best Available Techniques Reference document in the pulp and
paper industry 2000, European Union.
2.2.1.2 Fabricación de papel
Luego de la obtención de la suspensión de fibras de celulosa o pasta de papel, se
puede continuar a la elaboración del papel y cartón, pero antes retirando el agua que
acompaña la pasta, esto se puede obtener, formando una banda húmeda de papel,
16
bien sea por gravedad, vacío y presión, para finalmente proceder a un secado térmico,
según indica ASPAPEL (2008).
El papel puede ser sometido a distintos tratamientos superficiales durante el proceso,
como: encolado, estucados, entre otros, con la finalidad de mejorar sus características y
prepararlo para determinados usos. Al final se presentará en forma de bobinas
(ASPAPEL, 2008).
2.2.2 Residuos de la industria del papel
Primeramente es importante conocer que se entiende por residuo, en este caso nos
referimos a los sólidos. La palabra residuo denota el “Conjunto de aquellas materias
generadas en las actividades de producción y consumo que no alcanzan, en el contexto
en que son producidas, ningún valor económico, y de las que el hombre se ve obligado
a desprenderse” (FUNIBER, s.f.).
También es importante indicar la clasificación de los mismos según el origen (urbano,
industrial, rural, sanitario, minero, entre otros). Aquí nos centraremos básicamente en
los residuos industriales.
Elías (2000) indica que:
Un residuo industrial es “un residuo generado en los procesos industriales que no tiene
la posibilidad de reciclarse, recuperarse o reutilizarse en la propia planta, por ser
imposible, no existir la tecnología necesaria para ello o no tener salida al mercado, por
su coste o no conocerse sus posibilidades”.
El tipo de residuos que provienen de toda industria de papel va a estar ligado al tipo de
materia prima que se emplee para la obtención del nuevo papel, ya sea materia prima
17
virgen cuando las fibras de celulosa no han pasado por etapas de reciclaje de papel o
en segundo lugar cuando estas fibras son recuperadas de los papeles y cartones ya
usados. Los procesos específicos de cada industria papelera también están asociados
a la tipología de residuos que se generarán durante el proceso de obtención del papel,
así como la calidad del papel que se produce finalmente.
A continuación, se describirá brevemente los residuos que son generados de las
fábricas que producen la pasta de papel, bien sea a partir de fibra virgen o a partir de
papel recuperado.
Según ASPAPEL (2008):
Una fábrica que produce pasta de papel a partir de fibra virgen genera residuos
específicos como:
→ Residuos de corteza y madera de la manipulación de la madera, que son
originados tras el procedimiento de descortezado, preparación y troceado de la
misma.
→ Lodos inorgánicos (Lodos de lejías verdes procedentes de la recuperación de
lejías de cocción “dregs” y residuos de lodos calizos) separados en la
recuperación de productos químicos. Estos son empleados para el blanqueo de
la pasta, es decir la eliminación de la lignina.
→ Lodos del tratamiento de efluentes (material inorgánico, fibras y lodos biológicos).
→ Polvos de calderas y hornos, arenas, cenizas y material diverso (generalmente
inerte).
Así una fábrica que produce papel a partir de papel recuperado genera residuos
específicos como:
18
→ Lodos de destintado procedentes del reciclado de papel que se originan al
eliminar las tintas de los papeles usados con los que se fabricará papel reciclado.
→ Desechos, separados mecánicamente, de pasta elaborada a partir de residuos
de papel y cartón, al separarse todos los impropios que acompañan al papel
usado.
→ Residuos procedentes de la clasificación de papel y cartón destinados al
reciclado, que son originados en las etapas previas a la preparación de la pasta
reciclada.
También se generan los lodos provenientes del tratamiento de las aguas residuales y
residuos peligrosos, tales como: materiales absorbentes, bombillas y fluorescentes,
aceites usados, trapos impregnados con aceites, baterías, envases usados de
sustancias peligrosas, etc.
Los impropios mencionados anteriormente que se eliminan durante la producción de la
pasta de papel, son referidos a los residuos industriales papeleros que en este estudio
abordaremos, pero más adelante esta palabra será empleada para referirnos a los
metales, telas, trozos de maderas entre otras impurezas que componen el residuo.
2.2.3 Residuo industrial de Papelera Nacional S.A. Breve descripción.
El residuo industrial Papelero se genera durante la fabricación del papel kraft cuando se
extraen mecánicamente todos aquellos materiales impropios provenientes del cartón
reciclado, tales como plásticos que se presentan en mayor proporción, metales, grapas,
vidrios, maderas, entre otros, que se presentan en menor proporción (además de
19
grumos de fibras de papel sin disgregar), los que se constituyen en impurezas de los
cartones reciclados.
Algunas de las características principales del residuo industrial de Papelera Nacional,
se describen a continuación:
El volumen generado es muy elevado, un aproximado de 20.000 Kg/día, lo que
está generalmente asociado al empleo de cartón reciclado, ya que estos traen
consigo adheridos cintas adhesivas, grapas, entre otras impurezas que surgen
de las actividades de las que provienen y de la deficiente separación por parte de
los agentes implicados en la cadena de reciclaje del papel y cartón.
Su contenido de humedad es muy variable, manejándose valores que se
aproximan a 70%.
Presenta contenidos muy elevados de componentes que pueden emplearse
como materias primas secundarias para otras industrias y para la generación de
energía o la producción de combustibles alternativos (ASPAPEL, 2008).
Lamentablemente su condición y estado final dificulta la aplicación de este
residuo industrial por lo que hasta la actualidad los rellenos industriales siguen
siendo unos de sus destinos más importantes, incrementando el impacto sobre el
medio ambiente.
2.2.3.1 Flujograma de la Elaboración de papel kraft en Papelera Nacional
S.A. y generación del residuo industrial papelero
El proceso productivo que se emplea en la empresa Papelera Nacional S. A., para la
elaboración del papel kraft comprende varias etapas que van desde la recepción de la
materia prima hasta la distribución del producto terminado.
20
FIGURA 5. Flujograma de la Elaboración de papel kraft en Papelera Nacional S.A.
y punto de generación del Residuo Industrial Papelero. FUENTE: Papelera Nacional
S.A., 2013.
Recepción de Materia Prima
Almacenamiento
Depuración y Limpieza
Espesamiento
Refinación
Formación
Drenaje
Prensado
Secado
Corte
Empaque
Distribución
Residuos Industriales Papeleros
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2.2.3.2 Situación actual de la disposición final del residuo industrial
papelero
Los residuos Industriales papeleros provenientes de los sistemas de depuración y
limpieza de los molinos de la empresa Papelera Nacional S.A. son considerados como
peligrosos, por lo que se ha establecido un procedimiento para el correcto manejo de
los mismos que se cita a continuación:
o Una vez generados los residuos de los sistemas de depuración y limpieza en los
Hidropulpers y trampas.
o Serán enviados y agrupados en el patio central.
o Será debidamente pesado y registrado en el sistema informático que lleva el
control de estos.
o Transportar al sector definido para estos residuos.
FIGURA 6. Procedimiento para el manejo de los residuos industriales luego de
generarse en las etapas de depuración y limpieza. FUENTE: Papelera Nacional S.A.,
2013.
DESECHOS INDUSTRIALES
Acumular en el patio central
Desalojar en camión
Pesar cada envíoRegistrar en
sistema informático
Transportar al área dispuesta para su disposición final
22
En la actualidad, Papelera Nacional dispone sus residuos sólidos industriales en
rellenos industriales, ubicados cerca de 2 Km de la empresa Papelera Nacional S.A. en
el cantón Crnl. Marcelino Maridueña, representando grandes áreas de terreno que son
destinadas a ser rellenadas con este material actualmente en desuso.
El gráfico 1 muestra las toneladas mensuales generadas del residuo industrial papelero
de los molinos durante el año 2013, con el cual se estima que diariamente se
produjeron alrededor de 19 Ton con un contenido promedio de humedad aproximado de
60%.
GRÁFICO 1. Toneladas por mes del residuo Industrial Papelero generados en el
2013. FUENTE: Papelera Nacional S.A., 2013.
23
2.2.3.3 Posibles usos del residuo industrial papelero de Papelera Nacional
S.A.
Debido a la presencia de mezclas de polímeros y fibra de papel (celulosa, proveniente
del cartón reciclado que no se disgregó durante el proceso de elaboración de papel
kraft), se realizó una breve investigación de los posibles usos que podría dársele a este
residuo con la finalidad de aprovecharlo como materia prima secundaria para la
obtención de un nuevo producto y en base a esto se encontraron los materiales
compuestos, como la madera plástica, que varios países ya están produciendo y en la
actualidad está teniendo gran acogida debido a las ventajas que presenta frente a otros
materiales (especialmente sobre la madera natural), además el hecho de que este
nuevo producto se está fabricando a partir de materiales en desuso que lo hace
mayormente atractivo al promover el reciclaje y con ello la reducción del impacto al
medio ambiente cuyo único destino asegurado estaba en el relleno industrial.
Por otra parte, se encontraron materiales como los aglomerados que también podría
obtenerse empleando el residuo en estudio (por la presencia de plásticos y fibra),
adoquines ecoplásticos, donde uno de sus componentes podría ser el residuo industrial
papelero.
Dentro del desarrollo de esta investigación se optó por demostrar la utilidad del residuo
industrial papelero como factible materia prima para la obtención de maderas plásticas
compuestas y con ello dejar una base para futuras investigaciones.
Primero definiremos los materiales compuestos.
24
2.3 MATERIALES COMPUESTOS
2.3.1 Descripción
Material Compuesto es aquel que resulta de la unión de dos o más componentes o
fases física y químicamente distintas, dando lugar a la formación de uno nuevo con
características específicas; es decir, no vienen representadas por los componentes de
manera aislada (Al-Mosawi, Al-Maamori y Wetwet, 2012), es así como la combinación
debe ser adecuada de las propiedades de sus fases constituyentes para que el
resultado del nuevo material sea con propiedades mejoradas de manera significativa
(Guerrero, Dávila, Galeas, Pontón, Rosas, Sotomayor y Valdivieso, 2011).
Según Lucana (2008), las propiedades resultantes dependen de las proporciones de las
fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de la fase
dispersa; es decir, esto último se refiere a las características de su forma, tamaño,
distribución y la orientación de las partículas.
2.3.2 Constituyentes
Las fases que se pueden distinguir son: una fase continua o dispersante denominada
matriz y otra fase discontinua o dispersa denominada relleno o refuerzo (Rojo, 2011).
Se denomina interfaz a la superficie de unión existente entre estas fases, siendo posible
la incorporación de agentes de acoplamiento, rellenos y revestimientos, con el fin de
mejorar esta superficie de la interfaz de modo que las propiedades del material se
magnifiquen en lugar de verse afectadas, de la unión de estos constituyentes
dependerán las buenas o malas propiedades mecánicas del material formado. De
manera que es importante que la matriz a emplear se encuentre en estado fluido para
25
que pueda extenderse sin dificultad sobre el refuerzo, que es a lo que se conoce como
grado de impregnabilidad o mojado y dependiendo del mismo la interfaz va a generar
las propiedades del material (Guerrero et al., 2011).
FIGURA 7. Componentes de los materiales compuestos. FUENTE: Guerrero et al., 2011.
López (2004) indica que cuando los materiales son incompatibles, como es el caso de
los materiales compuestos donde la fibra de carácter hidrofílico y los polímeros son
hidrofóbicos, se puede actuar introduciendo un tercer material con propiedades
intermedias entre los otros dos para crear un grado de compatibilidad. Es así como las
características de los materiales compuestos se ven mejoradas mediante el tratamiento
con agentes de acoplamiento, para diferentes fibras y matrices poliméricas.
Los agentes de acoplamiento o compatibilizantes, son en sí aditivos que cumplen una
determinada función, pero además existen otros con funciones específicas como:
lubricantes, estabilizadores, rellenos, biocidas, retardantes de llama y supresores de
humo que en resumen permiten mejorar la calidad, propiedades y procesabilidad de
estos materiales compuestos (Villamar, 2013).
26
Según Guerrero et al. (2011), los componentes del material compuesto pueden
enlazarse mediante cuatro tipos de uniones que se citan a continuación:
→ Unión Mecánica: Depende de la rugosidad de los componentes, cuanto mayor
sea ésta, la superficie de la interfaz será más efectiva.
→ Unión Electrostática: Generada cuando una de las superficies tiene carga
positiva y la otra negativa.
→ Unión Química: Se presenta cuando la superficie del refuerzo contiene grupos
químicos compatibles con los grupos químicos de la matriz, de lo cual
dependiendo del número de uniones por unidad de área será la resistencia de la
unión.
→ Unión mediante Interdifusión: Generada en elementos poliméricos cuando la
superficie del refuerzo y de la matriz tienen cadenas poliméricas, las mismas que
se difunden entre ellas, de lo cual dependiendo de la cantidad de
entrelazamientos entre las cadenas poliméricas será la resistencia de la unión,
pudiendo incrementarse con la utilización de disolventes o plastificantes.
La Matriz nos permite identificar tres grupos de materiales compuestos. Según
Besednjak (2005), son los citados a continuación:
1. Materiales Compuestos de matriz metálica: Desarrollados principalmente para
componentes aeroespaciales y de motores de automoción. Poseen alta
resistencia y muy bajo peso. Como ejemplo de estos materiales tenemos
aleaciones de aluminio con refuerzos de fibras de boro, partículas de alúmina y
carburo de silicio, etc.
27
2. Materiales Compuestos de matriz cerámica: Desarrollados recientemente,
mejorando las propiedades mecánicas como la resistencia y tenacidad de los
materiales cerámicos tradicionales, sobretodo en intervalos de bajas
temperaturas. Como ejemplo de los refuerzos más utilizados encontramos
carburo de silicio y óxido de aluminio y las agujas cerámicas de carburo de silicio.
3. Materiales compuestos de matriz polimérica: Presentan buenas propiedades
mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, permitiendo
moldearse a libertad de formas. Destacan en este grupo los de matriz
termoestable, tales como resinas poliéster, viniléster, epoxi y fenólicas),
reforzados con fibras de vidrio, las aramídicas y de carbono.
Así también los termoplásticos que son polímeros sintéticos que están teniendo
grandes aplicaciones comerciales (Besednjak, 2005), se constituyen entre los
materiales aplicados como matriz polimérica para la formación de materiales
compuestos, como lo indican recientes estudios.
Dentro de esta investigación nos dedicaremos al empleo de un termoplástico, como lo
es el polietileno de alta densidad como matriz envolvente del residuo en estudio para la
formación de los materiales compuestos.
Los materiales compuestos de matriz polimérica son los más empleados en la industria
en general, por lo que en esta investigación nos orientaremos a analizar brevemente la
misma.
Una matriz polimérica se refiere a aquel material envolvente como matriz a base de un
polímero.
28
Besednjak (2005) define un polímero como aquel material constituido por la secuencia
repetida de moléculas o unidades más pequeñas conocidas como monómeros
mediante enlaces primarios (usualmente del tipo covalente primario).
Además, los clasifica atendiendo su origen en:
→ Polímeros Naturales: lana, seda, celulosa, caucho natural, etc.
→ Polímeros Sintéticos: plásticos, caucho sintético, pinturas, recubrimientos,
adhesivos, pegamentos, materiales textiles sintéticos, resinas endurecibles, etc.
No obstante, según el comportamiento térmico se basa la clasificación más aceptada
en:
→ Termoplásticos: polietilenos, polipropileno, policloruro de vinilo, poliamidas,
policarbonatos, poliuretanos, etc.
→ Termoestables: resinas poliéster, resinas viniléster, las epoxi, las fenólicas,
resinas úrea-formaldehído, etc.
→ Elastómeros: cauchos natural, sintético, nitrilo, estireno-butadieno,
polibutadieno, etc.
La diferencia entre un termoplástico de un termoestable radica en que, el primero se
refiere a moléculas bidimensionales que pueden moldearse repetidamente mediante la
aplicación de calor y endurecerse por enfriamiento en un proceso físico reversible,
mientras que los termoestables son moléculas tridimensionales que mediante la
aplicación de calor no podrán ablandarse (Seymour & Carraher, 1995).
Los elastómeros son polímeros que poseen cadenas con mucha libertad de movimiento
molecular, presentando dobles enlaces entre éstas pero reticulados en menor
29
extensión. Por lo cual se muestran en estado gomoelástico a temperatura ambiente,
siendo infusibles e insolubles pero hinchables (Besednjak, 2005).
El refuerzo nos permite clasificar los materiales compuestos, según el empleo de fibras,
partículas o una mezcla de ambas. Según Besednjak (2005), se clasifican como sigue:
1. Materiales reforzados con fibras: Las fibras se clasifican en sintéticas y naturales,
pueden ser orientadas dentro de la matriz de formas variadas, como se muestra
en la figura 8, ya que se trata de un elemento donde la matriz es el material
predominante. Las fibras son atractivas por el hecho de brindar la oportunidad al
compuesto final mayor resistencia al ser ellas más resistentes que la matriz
(Rojo, 2011).
FIGURA 8. Disposición de las fibras de refuerzo. a) Unidireccional (fibras largas),
b) Aleatoria (fibras cortas), c) Ortogonal (mallas ortogonales) y d) En capas
alternas. FUENTE: Rojo, 2011.
2. Materiales reforzados con partículas u hojuelas. Ambos refuerzos se caracterizan
por distribuirse de forma aleatoria en el material y conferirle resistencia y
propiedades isotrópicas. Se produce una dispersión que endurece la matriz,
30
restringiendo los movimientos de las dislocaciones del material. De este modo, la
matriz queda reforzada y las partículas no comparten la carga (Rojo, 2011).
3. Materiales estructurales: emplean el material de refuerzo en un tipo de laminado
y tipo “sándwich”, es decir ordenadamente, como se ilustra en la figura 9. El
laminado se distingue del sándwich, en que está formado por una serie de capas
de fibras superpuestas que se unen entre sí mediante una matriz de resina,
mientras que este último se constituye por dos caras o laminados superficiales (o
pieles) pegadas con sendas capas de adhesivo a ambos lados de un núcleo
central (Rojo, 2011).
FIGURA 9. Estructuras de materiales compuestos. a) Laminados b) Sándwich.
FUENTE: Rojo, 2011.
La función más destacada de las fibras de refuerzo o fase dispersa en una matriz
polimérica es la de soportar, en la medida de lo posible, el esfuerzo aplicado al
conjunto; por otro lado la matriz polimérica se encarga de transmitir de forma efectiva
las solicitaciones al esfuerzo (Lucana, 2008).
Muchas de las teorías y referencias que están disponibles hoy en día, generalmente
están enfocadas al empleo directo de las fibras, mas no indirectamente como se aborda
en esta investigación, es decir utilizando las fibras de papel contenidas en un residuo
31
industrial papelero (proveniente del proceso de elaboración de pasta de papel y papeles
kraft), de modo que los diferentes estudios revisados podrían servir como fuente de
información para el análisis de las propiedades del producto final compuesto.
Dentro de esta investigación se empleará como material de refuerzo, el residuo
industrial papelero en estudio, donde uno de sus dos componentes mayoritarios lo
constituye una fibra natural. Por lo cual, en las páginas seguidas se estudiará
brevemente las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de matriz
polimérica reforzados con fibras.
2.3.3 Madera Plástica Compuesta
La madera plástica compuesta (Wood Plastic Composite o WPC, por sus siglas en
inglés) persigue reemplazar algunas de las aplicaciones de la madera tradicional.
(Delgado & Medina, s.f.). Es un material compuesto lignocelulósico conformada por una
matriz polimérica y un refuerzo lignocelulósico (madera que contiene celulosa y lignina).
Desde los años sesenta se dio origen a este material, cuando se obtuvo un compuesto
termoestable moldeado rellenado con fibras de celulosa, mientras que en los años
setenta se emplearon materiales termoplásticos como matriz pero la difícil dispersión de
la fibra de celulosa y por ende la falta de homogeneidad en el material resultante era
uno de sus problemas. Al haber sido superados estos inconvenientes, se centralizaron
en el mejoramiento de las propiedades de los mismos en los años ochenta (Guerrero,
Villamar y Galeas, s.f.).
Algunas de las ventajas que ofrece frente a otros materiales, justifica su rápido
crecimiento, entre las cuales cabe mencionar:
32
→ Abundancia y bajo costo de la materia prima.
→ Bajo impacto ambiental, al emplear desechos y evitar la tala de bosques.
→ Baja densidad.
→ Apariencia y procesabilidad de la madera, pudiéndose tratar igual que la madera
y confeccionar artículos similares a los hechos con los materiales tradicionales.
→ Durabilidad.
→ Bajo nivel de abrasión de las fibras, promoviendo mayor duración de los equipos.
→ Rigidez y estabilidad dimensional, mientras exista una buena adhesión en la
interfaz matriz / refuerzo.
El enfoque principal de la fabricación de este tipo de material compuesto está en
generar un impacto ambiental positivo al obtener materiales que puedan sustituir en
cierto porcentaje los recursos naturales de nuestro medio utilizando materiales
contaminantes que muchas veces terminan dispuestos en un botadero y por ende en un
relleno sanitario o industrial, tardando cientos de años en descomponerse.
2.3.3.1 Descripción y composición
La madera plástica compuesta, al ser un material compuesto, se compone de dos fases
que prácticamente son incompatibles física y químicamente, como se revisó
anteriormente, siendo una de estas la matriz polimérica (termoplásticos o
termoendurecibles) y la otra el relleno o refuerzo (fibra o polvo de madera).
Hoy en día el material mayormente empleado como refuerzo lo constituye la fibra de
madera (Delgado y Medina, s.f.).
33
Esta combinación donde las fibras de madera son muy cortas, absorben mucha
humedad y son menos resistentes que las fibras de vidrio o de carbono y donde los
termoplásticos son más débiles que los termoendurecibles, por el hecho de
reblandecerse con el calor, ha generado resultados impactantes, además de que las
materias primas que utiliza son baratas, la tecnología de fabricación es de bajo nivel,
alto ciclo de vida y mayor durabilidad que la madera tratada con productos químicos
(Referencia Electrónica 3).
Según Lund (1996), es posible superar las propiedades negativas, la incompatibilidad
de los materiales al procesarse de varias formas, como por ejemplo empleando un
primitivo moldeador por inyección, pero existen otras variaciones de este equipo que
pueden ser utilizadas también. La tecnología más primitiva de esta tecnología consiste
en perfiles moldeados por compresión e inyección hechos de plásticos no
seleccionados, que han encontrado en el mercado nuevas aplicaciones en forma de
tablas, postes, aplicaciones marítimas, bancos para parques, etc. De esta forma, una
mezcla no seleccionada, sin limpiar, y que contenga metal y papel, puede refabricarse
en un producto útil.
Otro de los componentes aplicados a la madera plástica compuesta lo constituyen los
aditivos, entre los más frecuentes son los lubricantes, retardadores del fuego, productos
que mejoran a unión madera - plástico, estabilizadores de rayos ultravioleta, pigmentos,
etc. La mezcla de materias primas se realiza por lotes o por procesos continuos y se
fuerza su paso por una laminadora o por una extrusora o para inyectarse en los moldes
correspondientes. La gran mayoría de los productos de madera y plástico son perfiles
extruidos, macizos o huecos (Referencia Electrónica 3).
34
2.3.3.2 Obtención
FIGURA 10. Diagrama Esquemático de una extrusora. FUENTE: Callister, 2007
(Reprodujo con permiso de la Enciclopedia Británica, © 1997 by Encyclopædia Britannica, Inc).
La obtención del compuesto en este estudio se realizará mediante el proceso de
extrusión del material compuesto. El proceso de extrusión es aquel por el cual se hace
pasar presionadamente un termoplástico viscoso a través de una boquilla abierta,
parecido a la extrusión de metales. El material peletizado que es alimentado, es
impulsado por medio del tornillo giratorio a pasar a través de una cámara, donde
sucesivamente es, compactado, fundido y finalmente se obtiene el conformado del
fluido viscoso. Cuando el material fundido es forzado a pasar a través del orificio de la
boquilla, se lleva a cabo la extrusión. La solidificación del material extruido se acelera
mediante el uso de sopladores, spray o baño de agua. Se aplica esta técnica
especialmente para fabricar materiales continuos de sección geométrica transversal
constante, así como: varillas, tuberías, mangueras, laminas y filamentos (Callister,
2007).
35
2.3.3.3 Características
Entre las características básicas de la madera plástica está en la posibilidad de ser
manejada y trabajada al igual que la madera, sin la necesidad de ningún tipo de
mantenimiento, resiste a la humedad, al contacto con el suelo, a la acción del sol y a las
inclemencias climatológicas sin precisar barnices ni protecciones exteriores y sin
pudrirse, no está sometido al ataque de insectos ni hongos, no necesita pintarse ya que
se presenta en múltiples colores, etc. (Referencia Electrónica 5).
2.3.3.4 Usos y aplicaciones
Aplicaciones similares a la madera: mobiliario urbano, productos para interiores,
elementos constructivos para zonas húmedas (FUNIBER, s.f.).
El empleo más extendido de la madera plástica es en exteriores en una amplia gama de
productos, como por ejemplo, mobiliario urbano de todo tipo; bancos para parques,
vallas urbanas y rurales, juegos infantiles, circuitos de gimnasia, papeleras, señales
diversas, jardineras, etc., además de casetas para perros, encofrados para la
construcción, mobiliario escolar y de laboratorio, solerías para exteriores; juegos,
caminos, etc., e interiores, mobiliario de jardín, embarcaderos, etc. (Referencia
Electrónica 5).
2.4 PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS
2.4.1 Propiedades Físicas
Las propiedades físicas a estudiar de los materiales compuestos, así como se estudian
en la madera son: densidad aparente, contenido de humedad e hinchamiento.
36
2.4.1.1. Densidad aparente
La densidad es una propiedad intensiva de la materia definida como la relación de la
masa de un objeto dividida por su volumen. Las unidades más comúnmente usadas
para expresarla son gramos por centímetros cúbicos (g/cm3), además en kilogramos
por metro cúbico (kg/m3) (Hidalgo, 2013).
2.4.1.2. Contenido de Humedad
Se refiere a la cantidad de agua contenida en un material, correspondiente a la
humedad a la salida del proceso de producción. Este valor variará dependiendo de la
humedad relativa del ambiente en que se encuentre, tendiendo a buscar la humedad de
equilibrio. (Hidalgo, 2013).
2.4.1.3. Hinchamiento
Según Hidalgo (2013):
Determina el incremento de las dimensiones del material cuando son sometidos a
absorción de agua, entendida como la cantidad de agua tomada por las probetas (pieza
del material sometida a ensayo) cuando son sumergidas en agua; es decir indica su
comportamiento frente a la humedad, y se refleja en el porcentaje de aumento del
espesor. Esto sólo tienen lugar cuando su contenido de humedad se encuentra por
debajo del punto de saturación de las fibras (aproximadamente cuando tienen una
humedad del 30%), a partir del 30% sólo se produce un aumento de peso y su volumen
permanece prácticamente constante, (deformación máxima).
37
2.4.2 Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas permiten evaluar la capacidad que tienen los materiales
para soportar cargas aplicadas de manera segura (Mott, 1996). Nos referiremos a carga
como una influencia externa, una fuerza.
Como en este estudio nos enfocamos a los materiales compuestos reforzados con
fibras es importante mencionar que sus propiedades van a estar directamente
influenciadas con la dirección en que se aplican las cargas de relleno o refuerzo; es
decir estamos refiriéndonos que presentan propiedades anisotrópicas. Para conseguir
que una propiedad específica sea isotrópica, como el módulo de Young, se debe
orientar aleatoriamente las fibras de refuerzo. Esta orientación no es fácil de conseguir
cuando se trata de fibras discontinuas, ya que los métodos de fabricación tienden a
impartir una determinada orientación de las fibras. Las fibras continuas en forma
laminada se emplean para hacer deliberadamente del material compuesto un material
anisotrópico en una dirección en particular que se entiende está a lo largo del eje o
plano principal de carga. Es así como se genera la posibilidad de la orientación de las
fibras según la dirección en la que se aplicará mayor carga, incrementando la eficiencia
de material de refuerzo (Referencia Electrónica 4).
La orientación de las fibras, su cantidad y distribución influyen en gran medida en la
resistencia mecánica y otras propiedades de los materiales compuestos.
En cuanto a la orientación de las fibras pueden ser dispuestas dentro de la matriz de
dos maneras posibles, la primera en dirección paralela al eje longitudinal de las fibras
(continuas y discontinuas) y la segunda de manera aleatoria. (Callister, 2007).
38
FIGURA 11. Representación esquemática de la orientación de fibras como
refuerzo en un material compuesto (a) continua y alineada (b) discontinua y
alineada, y (c) discontinua al azar. FUENTE: Callister, 2007.
Para la caracterización de los materiales, entre ellos los materiales compuestos, la
determinación de las propiedades mecánicas de los materiales, se hace necesario el
empleo de ensayos destructivos. Estos se ejecutan en un equipo adecuado y bajo
circunstancias adecuadas, ensayando una determinada cantidad de muestra,
realizando cierto número de pruebas para definir el comportamiento de aquel material
con mayor aproximación (Guerrero et al., 2011). Los ensayos mecánicos evaluados en
la presente investigación son los de flexión y compresión, que se analizan brevemente a
continuación.
2.4.2.1 Compresión
Teóricamente, la prueba de compresión de una probeta o espécimen es lo inverso de
una prueba de tensión con respecto a la dirección de la carga (Referencia Electrónica
39
4). Con el esfuerzo de compresión el material experimenta una(s) fuerza(s) externa(s)
de aplastamiento o acortamiento que actúa(n) sobre el mismo en la misma dirección,
magnitud pero en sentidos opuestos hacia el interior del material, como se observa en
la figura 12. Mientras que en la de tensión será(n) una(s) fuerza(s) de estiramiento
(Referencia Electrónica 2).
FIGURA 12. Elemento sometido a compresión. FUENTE: Referencia Electrónica 2.
Como ejemplo, para el concreto, la resistencia a la compresión es la propiedad del
material más importante empleada para el diseño y construcción de una estructura,
además usada también para determinar si la mezcla mencionada cumple con los
requisitos de las especificaciones del trabajo (Referencia Electrónica 4).
Según Díaz (2005), de acuerdo al sentido de aplicación de la fuerza, diferenciamos dos
tipos de fuerzas de compresión:
1. Compresión paralela a la fibra: como se ilustra en la figura 13. Se produce
cuando una fuerza actúa de manera paralela a las fibras paralelas y corresponde
a “la resistencia que opone una viga a una carga aplicada en el mismo sentido
de la dirección de la fibra”.
40
FIGURA 13. Compresión Paralela a la fibra. FUENTE: Díaz, 2005.
2. Compresión perpendicular a la fibra: como se ilustra en la figura 14 y se produce
cuando la fuerza solicitante actúa en dirección perpendicular a las fibras, y
corresponde a “la resistencia que opone la madera a una carga aplicada en
sentido perpendicular a la dirección de las fibras en una cara radial de la
probeta”.
FIGURA 14. Compresión Perpendicular a la fibra. FUENTE: Díaz, 2005.
2.4.2.2 Flexión
Según Díaz (2005):
Los esfuerzos en flexión se producen en cuerpos de gran longitud respecto a las
dimensiones de su sección transversal, cuando estos son sometidos a la acción de
cargas transversales o normales de su eje longitudinal, de tal manera que tiendan a
producir una arqueadura del elemento. Un caso típico es el de la viga.
41
El procedimiento que es aplicado es el correspondiente a un sistema de carga en tres
puntos usando una carga central en una viga con apoyos simples (Guerrero et
al..2011).
FIGURA 15. Viga en ensayo de Flexión estática. FUENTE: Referencia Electrónica 2.
Según Díaz (2005):
La flexión es una combinación de tres esfuerzos, tracción, compresión y cizalle. Estas
causan la curvatura o deformación del cuerpo, con la parte superior cóncava (en
compresión), la inferior convexa (en tracción) y el plano neutro tendiendo a resbalar
entre las dos fuerzas opuestas (en cizalle).
FIGURA 16. Viga en flexión estática. Fuente: Díaz, 2005 (Tomado de Karsulovic, 1982).
Además Díaz (2005), indica que:
El plano donde se produce la inversión del sentido del esfuerzo, se denomina plano
neutro y su traza sobre la sección transversal se denomina eje neutro (el esfuerzo de
42
flexión es nulo). Además en la cara inferior de la viga se aprecia los esfuerzos máximo
en tracción y en la cara superior el esfuerzo máximo en compresión.
Según Guerrero et al. (2011):
Las propiedades a flexión pueden variar dependiendo de la superficie de la probeta,
pues ningún laminado es perfectamente simétrico. Estas diferencias desviarán el eje
neutral y los resultados se verán afectados incluso por la mínima asimetría presente en
el laminado. Las propiedades a flexión también pueden variar de acuerdo al espesor de
la probeta, ambientes condicionantes o de ensayo en el que se ejecutan las pruebas,
velocidad de aplicación de esfuerzo. Cuando se evalúan distintos materiales, los
parámetros deben ser equivalentes para la comparación de todos los datos obtenidos.
Además las probetas deben respetar características solicitadas de aspecto superficial,
como es la ausencia de fisuras o defectos que influyan erradamente en los resultados
del ensayo; para el caso de las marcas ocasionadas por operaciones de corte deben
ser cuidadosamente eliminadas con una lima fina o un abrasivo, alcanzando una pre-
selección y preparación de probetas que serán aptas para la realización del ensayo.
2.4.2.3 Carga y Esfuerzo
Carga se refiere a toda fuerza externa que es aplicada sobre un miembro o estructura,
donde se desarrollan fuerzas internas denominadas resistencias o tensiones internas
en el cuerpo cargado (Véliz, 2003). Una fuerza puede ser medida en kilogramo (o en
cualquier otra unidad de peso o fuerza). Mott (1996) define el esfuerzo como “La
resistencia interna que ofrece un área unitaria del material del que está hecho un
miembro para una carga aplicada externa”. Puede expresarse matemáticamente por:
43
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 (𝜎) =𝑃
𝐴
Donde:
P = Es la carga y
A = Es el área de la sección.
Cuando una carga es aplicada sobre un miembro o cuerpo que soporta una carga, este
se deforma (Mott, 1996). Esa deformación conocida también como deformación unitaria,
produce por lo tanto cambios en la forma y dimensión del material donde se aplica
dicha carga (fuerza externa), se denota con la letra griega minúscula épsilon “ϵ”, se
obtiene dividiendo la deformación total entre la longitud original de la barra por lo que es
adimensional, se expresa como sigue:
𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝜖) = 𝛿
𝑙
Donde:
δ = Es la deformación total y
l = Largo del cuerpo en la dirección en el cual actúa la fuerza.
2.4.2.4 Diagrama Esfuerzo – Deformación
Al ir graficando con cada par de lecturas en el eje de las abscisas, la deformación
unitaria “ϵ” y en el eje de las ordenadas, el esfuerzo “σ”, a medida que se incrementa la
carga sobre el elemento ensayado, se obtendrá el diagrama esfuerzo-deformación para
el material utilizado. Este mismo nos permitirá la obtención de datos importantes, tales
como módulo de elasticidad, si el material utilizado es dúctil o frágil, si se comporta
elástica o plásticamente (Beer, Johnston, Dewolf & Mazurek, 2009).
44
El Diagrama esfuerzo-deformación, como se ilustra en la figura 17, durante la primera
fase de la aplicación de la carga, es una línea recta, donde existe una relación directa
entre el esfuerzo y la deformación unitaria. En el punto donde la curva deja de ser recta
se conoce como Límite de Proporcionalidad. A continuación, se llega a un punto que se
conoce como Límite de Elasticidad, a medida que se sigue incrementando la carga y es
donde el material, si se suspende dicha carga, recobrará su tamaño y forma originales,
pero si se aplica mayores cargas a este límite, el material ensayado quedará
completamente deformado, a esta zona se le denomina, Zona plástica. El Punto de
Cedencia es el esfuerzo en el que ocurre un alargamiento notorio sin un incremento
aparente en la carga y al aplicar cargas aún mayores a este punto, la curva llegará
hasta un pico o esfuerzo aparente más elevado que se conoce como Resistencia
Última. Finalmente cae ligeramente hasta que se produce la rotura (Mott,1996).
FIGURA 17. Diagrama esfuerzo-deformación. FUENTE: Ferdinand y Pytel, 1982.
45
Cabe destacar que la Figura 17, corresponde al comportamiento que se obtiene en un
ensayo de tensión o alargamiento de una probeta. Estos diagramas varían de forma
considerable en función de la temperatura de la probeta y de la velocidad de la
aplicación de la carga, arrojando diferentes resultados así se trate de diferentes
ensayos de tensión sobre un mismo material (Beer et al., 2009).
Mott (1996), expone de manera resumida los conceptos más importantes de las
propiedades de resistencia de los materiales:
→ Límite Proporcional: valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo-deformación, al
que la curva se desvía por primera vez, desde una línea recta.
→ Límite Elástico: valor del esfuerzo en una curva de esfuerzo- deformación, en el
que el material se deforma plásticamente; es decir, ya no volverá a su forma y
tamaño originales luego de eliminar la carga.
→ Punto de Cedencia: valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo-deformación, en
el que existe un incremento significativo de la deformación, con poco o ningún
incremento en el esfuerzo.
→ Resistencia Última: máximo valor del esfuerzo en la curva de esfuerzo-
deformación.
2.4.2.5 Ley de Hooke. Módulo de Elasticidad.
La ley de Hooke se cumple cuando el nivel de esfuerzo en un material sometido a carga
es menor que el límite proporcional, estableciéndose una relación lineal entre el
esfuerzo y la deformación; es decir, correspondiente a la sección de la línea recta de la
46
gráfica de esfuerzo-deformación (Mott, 1996). Lo que indica que al pasar el límite de
proporcionalidad la Ley de Hooke no es válida. Se suele expresar como:
𝜎 = 𝐸 𝜖
Inicialmente Hooke solo enunció la ley de que el esfuerzo es proporcional a la
deformación, pero en el año 1807 Thomas Young fue quien definió la expresión con una
constante de proporcionalidad a la que llamó Módulo de Young, la que más adelante se
sustituyó por el nombre de módulo de elasticidad o módulo elástico (es una medida de
la rigidez), el cual se determina por la pendiente de la recta de la curva esfuerzo-
deformación y se representa por la letra “𝐸” (Ferdinand y Pytel, 1982).
𝜎
𝜖= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ⇒ 𝐸 =
𝜎
𝜖
La expresión del módulo de elasticidad puede ser escrita al sustituir el esfuerzo “σ” y la
deformación “ϵ” por sus equivalentes, cuya unidad es igual a la de esfuerzo, ya que la
deformación es adimensional, como sigue:
𝑀𝑂𝐸 = 𝑃/𝐴
𝛿/𝐿=
𝑃 𝐿
𝐴 𝛿 (
𝐾𝑔
𝑐𝑚2)
Cabe la importancia de aclarar conceptos siguientes. Según Díaz- Vaz y Cuevas
(1982):
→ Rigidez: Es aquella propiedad de la materia que le permite resistir a la
deformación cuando es solicitado por una carga o fuerza externa; es decir
mantiene su forma y dimensión cuando ha cesado dicha carga.
→ Elasticidad: Propiedad de los materiales sólidos que mientras actúe una carga o
fuerza externa, tolerará ser deformado.
47
CAPÍTULO III
MATERIALES Y MÉTODOS
CAPÍTULO III: MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 CARACTERIZACIÓN DEL RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO (MATERIA
PRIMA)
3.1.1 Ubicación de la caracterización
Tanto la clasificación, cuantificación como la determinación de la humedad fueron
efectuadas dentro de las instalaciones de la Planta Industrial Papelera Nacional S.A., la
misma que se encuentra localizada en el Cantón Crnl. Marcelino Maridueña.
3.1.2 Clasificación y cuantificación por su naturaleza
1) Muestrear por equipo de los dos molinos, 1 Kg. de residuos industriales
papeleros que se generan durante elaboración de la pasta de papel kraft en
estas unidades.
2) Trasladarlos hasta el lugar de clasificación.
3) Segregar el residuo en sus diferentes componentes: fibra, plástico y materiales
impropios (estos últimos incluyen metales, vidrios, maderas, telas, entre otros).
4) Pesar por separado los diferentes componentes.
5) Determinar la composición porcentual del residuo industrial papelero.
6) Repetir el procedimiento para obtener una composición porcentual promedio.
48
FOTO 1. Clasificación del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A.,
por su naturaleza. FUENTE: Propia.
3.1.3 Determinación de humedad
Para determinar el contenido de humedad con que es retirado el material de residuo de
las diferentes unidades de elaboración de la pasta de papel y papeles kraft, se siguen
los siguientes puntos:
1) Hacer vasitos de papel aluminio.
2) Colocar una muestra del residuo industrial papelero dentro del vasito de papel
aluminio previamente pesado, procurando que el peso total no sea inferior a 10
g. ni superior a 50g., que es lo que establece la técnica empleada en la empresa
para la determinación de la humedad.
3) Se pesa el vasito con la muestra. Se repite el procedimiento para la cantidad de
determinaciones que sean requeridas.
4) A continuación, son llevados a la estufa durante 2 horas a 103 ºC.
5) Finalmente se pesan las muestras secas.
6) Se calcula el contenido de humedad
49
FOTO 2. Determinación del contenido de humedad. FUENTE: Propia.
Para la clasificación, cuantificación y determinación del contenido de humedad, algunos
muestreos fueron realizados en el punto de apilamiento de residuos industriales
(generados en las etapas de depuración y limpieza) de los equipos que lo eliminan
diariamente en mayor cantidad. En este caso, nos referiremos al Hidropulper o unidad
desintegradora y Compactador, tanto del molino 1 y molino 2 (el molino 1 contiene 2
Hidropulpers para la elaboración de la pasta de celulosa).
3.2 PREPARACIÓN DEL RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO (MATERIA PRIMA)
3.2.1 Ubicación de la experimentación
La recolección y recepción de la materia prima, el secado, selección de materiales
impropios se llevaron a cabo dentro de las instalaciones de la Planta Industrial Papelera
Nacional S.A., la misma que se encuentra localizada en el Cantón Crnl. Marcelino
Maridueña. La trituración primaria se efectuó en el Instituto de Investigaciones
Tecnológicas Ing. Qco. José I. Baquerizo de la Facultad de Ingeniería Química de la
Universidad Estatal de Guayaquil, el mismo que se encuentra ubicado en la Av.
Kennedy, frente al Colegio Las Mercedarias. Cdla. Salvador Allende. La trituración
50
secundaria se realizó en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de
Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Guayaquil, la misma que se encuentra
ubicada en la Cdla. Universitaria, Av. Delta y Fco. De Orellana.
3.2.2 Polietileno de alta densidad
Para el desarrollo de nuestro experimento se utilizó plástico polietileno de alta densidad
(HDPE) reciclado, presentado en forma de pellets (color rojo), el mismo que fue
seleccionado en base a otros proyectos que han utilizado este material con óptimos
resultados.
FOTO 3. Polietileno de alta densidad (HDPE). FUENTE: Propia
3.2.3 Residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A.
Una de las materias primas más importantes lo constituye el residuo industrial papelero,
puesto que se busca su aprovechamiento y el mismo contiene, además de la fibra de
celulosa, mezclas de polímeros o plásticos que son indispensables para dar lugar a la
formación del material compuesto como la madera plástica, el mismo que se obtuvo en
la industria Papelera Nacional (localizada en el cantón Crnl. Marcelino Maridueña).
51
3.2.3.1 Recolección y Recepción de la materia prima
FOTO 4. Recolección del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A.
desde el punto de apilamiento. FUENTE: Propia.
Una vez generado el residuo industrial papelero en los diferentes puntos de
desintegración y limpieza de los molinos para la preparación de la pasta de celulosa,
fue recogido del punto de apilamiento para ser conducidos hasta el punto donde se le
dio el posterior tratamiento, el secado.
3.2.3.2 Secado
FOTO 5. Secado del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. a la
intemperie. FUENTE: Propia.
52
El material de residuo fue tendido en el suelo en áreas establecidas de Papelera
Nacional para su secado al sol, comprobando que el mismo estaba seco simplemente
al tacto. Con ello se consiguió reducir el contenido de humedad desde 63,5% a 3%
aproximadamente (valores de humedad promedio obtenidos en la investigación).
Es importante mencionar que el contenido de humedad de polvo de madera (u otro
material de relleno o refuerzo) usado para la fabricación de madera plástica debe ser
menor al 1%, ya que de ser mayor se verían afectadas las características del material
como el equipo que se emplea para su fabricación (Villamar, 2013).
3.2.3.3 Selección de materiales impropios
FOTO 6. (a) Selección de materiales impropios. (b) Materiales impropios del
residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. FUENTE: Propia.
Previo a la trituración del material de residuo se tuvo que conseguir una materia prima
libre de todo tipo de elementos que podían afectar a los equipos seguidos y productos
finales, por lo cual se tornó una etapa realmente necesaria durante la fabricación de los
perfiles del material compuesto (madera plástica). Con este paso se obtuvo una materia
prima sin elementos tales como metales principalmente, ya que los mismos podían
53
producir daños de los equipos de trituración y extrusión y sobre todo representar
problemas en el producto final; además de eliminar materiales como telas, cauchos
grandes, entre otros que fácilmente podían separarse de modo manual.
3.2.3.4 Trituración Primaria y Secundaria
Para la elaboración de los materiales compuestos, se requirió utilizar el residuo
industrial papelero lo más pequeño posible, por lo que se tuvieron que utilizar dos
equipos diferentes de trituración con el objeto de reducir su tamaño desde largas tiras y
pedazos de plásticos y grumos de fibra de papel en pequeños fragmentos del residuo
de hasta 3 mm con la primera trituración y polvo del papel con la segunda trituración, lo
que facilitó durante la etapa de extrusión que los plásticos se fundan y se unan más
eficientemente a los demás componentes por el incremento de la superficie de
contacto. Además este paso nos permitió obtener un material más homogéneo.
Para conseguir la primera reducción de tamaño del material de residuo desde largas
tiras, pedazos de plásticos y fibra de papel sin disgregar de hasta 3 mm, se utilizó una
trituradora de cuchillas (ver en anexos FOTO 7 y FOTO 8) que posee un motor de 3 HP,
1700 RPM, dos cuchillas: una fija y otra móvil autoregulable por medio de pernos de
ajuste, se trabajó a una abertura de 1 mm entre las dos cuchillas, donde el material fue
cortado. Durante la práctica se usó aire comprimido para enfriarlo internamente, puesto
que el material de residuo a triturar al contener plásticos producía atascamientos al
calentarse que dificultaban la operación.
Luego para conseguir una mayor reducción del material de residuo desde los 3 mm
hasta un tamaño cerca de 1,5 – 1 mm, se utilizó una trituradora de martillos (ver en
54
anexos FOTO 9 y FOTO 10), el mismo que cuenta con 20 martillos (Anexo FOTO 11) y
un tamiz fijo con un tamaño de malla de 1/16” que permitió conseguir la disminución del
tamaño, cuenta con un motor trifásico de 1120 RPM y 3 HP que daba movimiento a los
martillos por medio de bandas, de construcción nacional. Esta disminución
principalmente se consiguió para las fibras de papel contenidas en el residuo de modo
que en el tamiz el plástico era retenido, lo que hizo necesario el uso de un molino de
bolas que funcionó como mezclador (anexo FOTO 13) para mezclarlos nuevamente
para su posterior empleo en la elaboración de los materiales compuestos.
3.3 ELABORACIÓN DE LOS PERFILES DEL MATERIAL COMPUESTO (MADERA
PLÁSTICA)
3.3.1 Ubicación de la experimentación
Los materiales compuestos de fibra de celulosa y plástico fueron elaborados en el
Instituto de Investigaciones Tecnológicas de la Facultad de Ingeniería Química de la
Universidad Estatal de Guayaquil, el mismo que se encuentra ubicado en la Av.
Kennedy, frente al Colegio Las Mercedarias. Cdla. Salvador Allende.
3.3.2 Proporciones
Para la elaboración de los materiales compuestos (madera plástica) se decidió realizar
diferentes dosificaciones del polietileno de alta densidad desde 50, 40, 30 y 20% en el
residuo industrial papelero, además se elaboraron perfiles con el 100% de su
composición del residuo, para su posterior análisis luego de las pruebas físicas y
mecánicas. A continuación se presenta las distintas dosificaciones para la formación de
los materiales compuestos (madera plástica). Para conformar los perfiles rectangulares
55
de mayores dimensiones se emplearon las indicadas con el molde grande y para las
probetas, se usó el molde pequeño.
TABLA 1. Dosificaciones de Residuo industrial papelero/PEAD para la formación
de los materiales compuestos (madera plástica).
CÓDIGO
% PESO PESO (Kg)
Residuo
(refuerzo)
Plástico
(matriz)
Residuo Plástico Residuo Plástico
MOLDE PEQUEÑO MOLDE GRANDE
RPF50PE50 50 50 0,6 0,6 1,125 1,125
RPF60PE40 60 40 0,72 0,48 1,35 0,9
RPF70PE30 70 30 0,84 0,36 1,575 0,675
RPF80PE20 80 20 0,96 0,24 1,8 0,45
RPF100 100 0 1,2 0 2,25 0
RPG50PE50 50 50 0,6 0,6 1,125 1,125
RPG100 100 0 1,2 0 2,25 0
FUENTE: Elaboración propia.
Durante la práctica se emplearon ambos moldes para la formación de los materiales
compuestos pero optamos por darle mayor uso al molde pequeño para obtener
directamente las probetas que luego serían ensayadas mecánicamente, debido a que
con éste minimizábamos las pérdidas, ya que con el molde grande conseguíamos los
perfiles pero que luego tenían que ser cortados de acuerdo a las dimensiones
establecidas para esos ensayos, generándose mayores pérdidas.
56
3.3.3 Pesado de materias primas
Previo a la formación de los perfiles del material compuesto (madera plástica), con
ayuda de una balanza, se pesaron las materias primas a utilizar de acuerdo a las
proporciones establecidas.
3.3.4 Mezclado
Para el caso de la formación de los perfiles de residuo industrial papelero y polietileno
de alta densidad, fue necesario realizar una previa mezcla para cada prueba y asegurar
una materia prima bien homogenizada. Se empleó una mezcladora como se observa en
anexos la FOTO 14. Éste mezclado se efectuó en el Instituto de Investigaciones
Tecnológicas de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de
Guayaquil, el mismo que se encuentra ubicado en la Av. Kennedy, frente al Colegio Las
Mercedarias. Cdla. Salvador Allende.
3.3.5 Extrusión
La mezcla del residuo industrial papelero de Papelera Nacional S.A. y polietileno de alta
densidad fueron llevados a la extrusora (anexo FOTO 18) previamente calentada
mediante seis resistencias eléctricas a la temperatura requerida para la prueba, de esta
forma el plástico amalgama el resto de materiales y se convierte en el pegante de
nuestro producto final sin la necesidad de incorporar ningún tipo de producto tóxico
como pegamento. La mezcla se alimentaba por la tolva, donde el resto del trabajo era
realizado por el mismo equipo que se encargaba de fusionar-plastificar, bombear y
mezclar el material para finalmente dar lugar al conformado del material fundido
57
mediante el acople del molde con las dimensiones establecidas al cabezal de la
extrusora. Así se obtuvieron los perfiles del material compuesto (madera plástica) para
la caracterización de los mismos. Para el procesamiento y obtención de los materiales
compuestos se establecieron temperaturas de trabajo de 200 y 190 ºC, pero no
mayores para proteger al material de refuerzo (fibra de papel del residuo) contra la
posible degradación debida a elevadas temperaturas.
Para la extrusión del material de residuo triturado se utilizó una extrusora accionada por
corriente trifásica de 220V, con un motor de 15HP, de 1200RPM, arranque directo, con
6 resistencias eléctricas circulares de construcción nacional 220V, con reguladores de
temperatura con su respectivas termocuplas y su panel de control de encendido y
arranque manual. En lo que respecta a la parte mecánica consta de una caja de
transmisión tipo americana a baja velocidad de 300 a 50-70 RPM, un cañón o cilindro
de 8 in de diámetro por 1,27 m de longitud, un eje sin fin interior de construcción
nacional, una tolva, cabezal y molde de construcción nacional. El material mezclado fue
extruido a una velocidad de tornillo de 55 RPM. (ver en anexos FOTOS 15, 16, 17 y 18).
La extrusión se efectuó en el Instituto de Investigaciones Tecnológicas de la Facultad
de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Guayaquil, el mismo que se
encuentra ubicado en la Av. Kennedy, frente al Colegio Las Mercedarias. Cdla.
Salvador Allende.
3.3.6 Enfriamiento
Una vez conformado el material en el molde, se retiró la pieza para darle un
enfriamiento brusco introduciéndolo completamente en una tina con agua.
58
3.4 LISTADO DE EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS
LISTADO DE EQUIPOS UTILIZADOS
EQUIPOS CARACTERISTICAS CONDICIONES DE
OPERACIÓN
TRITURADORA DE CUCHILLAS
Equipo de construcción artesanal en hierro. Velocidad 1700 RPM.
Tolva cuadrada de dosificación
Motor trifásico de 3 HP, 1700 RPM, con caja de arranque por botonera ON/OFF, contrapeso en extremo del eje del motor de giro definido.
Cuchillas regulables para cortes de varios espesores.
Con sección para empuje manual del material a triturar.
TRITURADORA DE MARTILLOS Equipo de construcción nacional en hierro. Velocidad 1120 RPM.
Motor trifásico de 3 HP, 1120 RPM, acciona 20 martillos por
medio de bandas.
Tolva cuadrada de alimentación.
Recirculación de material de baja granulometría para evitar pérdidas al exterior.
EXTRUSORA
FUENTE: Propia.
Motor trifásico de 15 HP, 1200 RPM, arranque directo.
El material mezclado fue extruido a una velocidad de tornillo de 55 RPM.
Tolva circular de alimentación en hierro Ø 50 cm.
Rango de temperaturas internas marcadas en el panel de control desde 180 a 200°C.
Cilindro de extrusión interno de Ø 8cm, L=1,27m, con 6 resistencias circulares de construcción nacional, 220 V con reguladores de temperatura.
Rango de temperaturas externas leídas con el termómetro digital de infrarrojo desde 110 a 290°C.
Tornillo de extrusión en acero.
Cabezal y boquilla en hierro.
Panel de control de encendido y arranque manual.
Caja de transmisión a baja velocidad de 300 a 50-70 RPM.
59
LISTADO DE MATERIALES UTILIZADOS
→ Baldes
→ Bandejas
→ Sacos
→ Balanza
→ Imanes
→ Molde grande
→ Molde pequeño
→ Mezcladora para componentes
3.5 EVALUACIÓN MECÁNICA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
3.5.1 Ubicación de la evaluación
Los ensayos de resistencia a la flexión y comprensión para la evaluación mecánica de
los materiales compuestos se realizaron en el Laboratorio de Suelos y Materiales Ing.
Dr. Arnaldo Ruffilli, ubicado en la Av. Kennedy, frente al Colegio Las Mercedarias. Cdla.
Salvador Allende.
3.5.2 Normas para la evaluación mecánica
La evaluación de las propiedades mecánicas se efectuó conforme a los métodos de
ensayo de pequeños especímenes de madera indicados en la Norma Británica ASTM
D143 (Methods of testing small clear specimens of timber). Cabe indicar que los
ensayos que se realizaron son los más significativos para efectos de control de calidad
utilizados en la industria como en centros investigativos y de acuerdo a la utilidad que el
producto va a tener.
60
3.5.3 RESISTENCIA A LA FLEXIÓN
3.5.3.1 Dimensiones de las probetas
Las dimensiones establecidas de las probetas para el ensayo de flexión son 2 cm de
ancho y alto, por 30 cm de longitud, como se ilustra en anexos la FOTO 22.
3.5.3.2 Equipo y aparato de prueba
Equipo para ensayos de resistencia de materiales: Provista con dos apoyos
paralelos, cuyos extremos sean redondeados o planos (aplicamos extremos
redondeados), de tal forma que no se produzca mucha presión en estos puntos
de la probeta durante el ensayo, permitiendo transmitir la fuerza sobre el
material, además realizar las lecturas de la deformación total que va presentando
el mismo cuando se le aplica una carga (anexo FOTO 21).
3.5.3.3 Procedimiento
La probeta a ensayar (viga) es colocada simétricamente sobre dos apoyos y ajustada
con la cara superior hacia arriba, para aplicarse al centro de la misma una carga (anexo
FOTO 23).
El ensayo se inicia dando poco a poco cargas sobre la probeta para proceder a hacer la
lectura de la deformación que va presentando el material. Las lecturas de la
deformación total se realizan cada 10 Kg de carga hasta que se presente el
rompimiento, con lo cual finaliza la prueba (anexo FOTO 24). Calcular Resistencia a la
Flexión.
3.5.3.4 Fórmula
El esfuerzo o resistencia a la flexión (Módulo de Ruptura) es comúnmente expresada
con las mismas unidades de la presión, es decir, unidades de fuerza sobre unidad de
área, en Kg/cm2 o N/mm2. La fórmula para calcularla se presenta a continuación:
61
𝑅𝐹 =1,5 𝑃 𝐿
𝑎 (𝑏)2
FUENTE: NORMA ASTM D143.
Donde:
RF= Esfuerzo o Resistencia a la Flexión, en Kg/cm2
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
L= Longitud entre apoyos, en cm.
a= ancho, en cm.
b= alto, en cm.
L, a y b, equivalen a 24, 2 y 2 cm respectivamente, por lo que la fórmula queda
resumida de la siguiente manera:
𝑅𝐹 =1,5 𝑃 (24)
8
𝑅𝐹 = 4,5 𝑃
3.5.4 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
3.5.4.1 Dimensiones de las probetas
Las dimensiones de las probetas para el ensayo de compresión son 2 cm de alto,
ancho y longitud, como se ilustra en anexos la FOTO 26.
3.5.4.2 Equipo y aparato de prueba
Equipo para ensayos de resistencia de materiales: Provista con un apoyo plano,
de tal forma que se produzca una carga puntual sobre la probeta durante el
ensayo, permitiendo transmitir la fuerza sobre el material, además realizar las
lecturas de la deformación que va presentando el mismo cuando se le aplica una
62
carga. El equipo usado para la evaluación de la resistencia a la compresión es el
mismo que se empleó para la evaluación de resistencia a la flexión (ver anexo
FOTO 21).
3.5.4.3 Procedimiento
La probeta a ensayar (cubo) es colocado sobre un solo apoyo plano con la cara
superior hacia arriba, para aplicarse al mismo una carga puntual (anexo FOTO 27).
El ensayo se inicia poco a poco ejerciendo cargas sobre la probeta para proceder a
hacer la lectura de la deformación que va presentando el material. Las lecturas de
deformación total se realizan cada 100 Kg. de carga hasta que se presente el
rompimiento, con lo cual finaliza la prueba (anexo FOTO 28). Calcular la Resistencia a
la Compresión.
3.5.4.4 Fórmula
La resistencia a la compresión es comúnmente expresada con las mismas unidades de
la presión, es decir, unidades de fuerza sobre unidad de área, en Kg/cm2 o N/mm2. La
fórmula para calcularla se presenta a continuación:
𝑅𝐶 =𝑃
𝐴1
FUENTE: NORMA ASTM D143.
Donde:
RC= Esfuerzo o resistencia a la Compresión, en Kg/cm2.
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
A1= Área corregida, en cm2.
El área corregida se calcula de la siguiente manera:
𝜖 =𝐴𝐻
𝐻
63
𝐴1 =𝐴𝑜
1 − 𝜖
Donde:
ϵ= Epsilon (Deformación Unitaria), en mm/mm (adimensional).
AH= Deformación Total (leída durante la prueba), en mm.
H= Altura inicial, en mm.
Ao= Área inicial, en cm2.
3.6 EVALUACIÓN FISICA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
3.6.1 Ubicación de la evaluación
Los ensayos para la determinación del contenido de humedad, hinchamiento y
absorción de agua de las probetas del material compuesto (madera plástica) para la
evaluación física, se realizaron dentro de las instalaciones de la Planta Industrial
Papelera Nacional S.A. ubicada en el Cantón Crnl. Marcelino Maridueña.
3.6.2 Normas para la evaluación física
Las propiedades físicas se evaluaron conforme a los métodos de ensayos establecidos
en tres diferentes normas: una Norma Británica y dos Normas Técnicas Ecuatorianas,
que se citan a continuación:
→ NORMA ASTM D143: Methods of testing small clear specimens of timber
(Métodos de ensayo de pequeños especímenes de madera). Determinación del
Contenido de humedad.
→ NTE INEN 0899 (1983): Tableros de madera aglomerada. Determinación de la
hinchazón y de la absorción de agua por sumersión total.
64
→ NTE INEN 0897 (2005): Tableros de madera aglomerada, contrachapada y de
fibras de madera (MDF). Determinación de la densidad aparente.
Cabe indicar que los ensayos que se realizaron son los más significativos para efectos
de control de calidad utilizados en la industria como en centros investigativos y de
acuerdo a la utilidad que el producto va a tener.
3.6.3 DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD
3.6.3.1 Dimensiones de las probetas
Las probetas para el ensayo pueden ser de cualquier forma y dimensión.
3.6.3.2 Equipos y materiales
Balanza digital
Estufa
Papel Aluminio
3.6.3.3 Procedimiento
1) Inmediatamente después de haber realizado cada prueba mecánica, cortar una
pequeña muestra de cada pieza de ensayo. La muestra constará de una sección
transversal de cerca del punto de fractura.*
2) En un vaso de papel aluminio pesar la muestra en la balanza digital.
3) Secar en la estufa a una temperatura de 103 ±2 ºC (217 ± 4 ° F) hasta que el
peso es constante. Sacar el vaso con la muestra de la estufa.
4) Pesar y calcular porcentaje de humedad. La pérdida de peso expresado como un
porcentaje del peso final secado en la estufa se toma como el contenido de
humedad de la pieza de ensayo.
65
*En nuestro caso la muestra para la determinación del contenido de humedad fue
cortada de las piezas del ensayo de flexión.
3.6.3.4 Fórmula
El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente fórmula:
𝐶𝐻 =𝑚𝑜 − 𝑚1
𝑚1𝑥 100
FUENTE: NORMA ASTM D143.
Donde:
CH = Contenido de Humedad, en porcentaje.
mo = Masa de la probeta antes del secado, en gramos.
m1 = Masa de la probeta después del secado, en gramos.
3.6.4 DETERMINACIÓN DE LA ABSORCIÓN DE AGUA POR SUMERSIÓN
TOTAL A 2 Y 24 HORAS
3.6.4.1 Dimensiones de las probetas
Las probetas de ensayo serán de forma cuadrada de 2 cm de lado. Con los lados lisos,
sin protección y las esquinas cortadas a escuadra.
3.6.4.2 Equipos y materiales
Balanza digital
Recipiente con agua
Termómetro
Tirillas para medir PH
3.6.4.3 Procedimiento
1) Identificar las probetas a ser ensayadas.
66
2) Pesar en una balanza digital con una aproximación de 0,001g., las probetas del
material compuesto (madera plástica).
3) Sumergir durante 2 horas las probetas en el recipiente que contiene agua limpia
a temperatura de 20 ± 1 ºC (comprobando que el PH del agua sea de 6 ± 1,
corrigiéndose en caso contrario), separándolas unas de otras sin tocar las
paredes ni el fondo, cuidando que los bordes superiores queden totalmente por
debajo de la superficie del agua, haciéndolas girar verticalmente alrededor de su
eje horizontal al cabo de la primera hora.
4) Retirar del recipiente, secando el agua de las superficies de cada probeta y
pesar rápidamente.
5) Volver a sumergir hasta completar las 24 horas de sumersión, retirando al cabo
de este tiempo, secar el agua de las superficies y pesar.
6) Calcular porcentaje de absorción a 2 y 24 horas de sumersión.
3.6.4.4 Fórmula
La absorción de agua se calculará con la fórmula siguiente:
𝐴𝑎 =𝑃1 − 𝑃𝑜
𝑃𝑜𝑥 100
FUENTE: NTE INEN 899:1983.
Donde:
Aa = Absorción de agua, en porcentaje
P1 = Peso de la probeta después de la sumersión, en gramos.
Po = Peso de la probeta antes de la sumersión, en gramos.
67
3.6.5 DETERMINACION DEL HINCHAMIENTO POR SUMERSION TOTAL A 2 Y
24 HORAS
3.6.5.1 Dimensiones de las probetas
Las probetas de ensayo serán de forma cuadrada de 2 cm de lado. Con los lados lisos,
sin protección y las esquinas cortadas a escuadra.
3.6.5.2 Equipos y materiales
Calibrador
Recipiente con agua
Termómetro
Tirillas para medir PH
3.6.5.3 Procedimiento
1) Identificar las probetas a ser ensayadas.
2) Medir a cada probeta el espesor entre los puntos de cada lado, la media
aritmética de cada dos medidas paralelas se considerará como el espesor de la
probeta.
3) Medir la longitud y el ancho entre los puntos de cada lado, la media aritmética de
cada dos medidas paralelas se considerará como la longitud y el ancho de la
probeta.
4) Sumergir durante 2 horas las probetas en el recipiente que contiene agua limpia
a temperatura de 20 ± 1ºC (comprobando que el PH del agua sea de 6 ± 1,
corrigiéndose en caso contrario), separándolas unas de otras sin tocar las
paredes ni el fondo, cuidando que los bordes superiores queden totalmente por
68
debajo de la superficie del agua, haciéndolas girar verticalmente alrededor de su
eje horizontal al cabo de la primera hora.
5) Retirar del recipiente, secando el agua de las superficies de cada probeta y medir
nuevamente su espesor, longitud y ancho.
6) Volver a sumergir hasta completar las 24 horas de sumersión, retirando al cabo
de este tiempo, secar el agua de las superficies y tomar medidas de espesor,
longitud y ancho.
7) Calcular porcentaje de hinchamiento a 2 y 24 horas de sumersión.
3.6.5.4 Fórmula
% 𝐻 =𝑉1 − 𝑉𝑜
𝑉𝑜𝑥 100
FUENTE: NTE INEN 899:1983.
Donde:
H= Hinchamiento, en porcentaje.
V1= Volumen después de la sumersión, en cm3.
Vo= Volumen antes de la sumersión, en cm3.
3.6.6 DETERMINACION DE DENSIDAD
3.6.6.1 Dimensiones de las probetas
La densidad fue calculada para las probetas que se emplearon para los ensayos de
flexión y compresión por lo que las dimensiones son las indicadas en esas
evaluaciones.
69
3.6.6.2 Equipos y materiales
Balanza Digital
Flexómetro
3.6.6.3 Procedimiento
1) Medir las dimensiones de las probetas: alto, ancho y longitud, empleando un
flexómetro.
2) Calcular el volumen con los valores de las dimensiones.
3) Pesar cada muestra en la balanza digital con una aproximación de 0,1 g.
4) Calcular la densidad de cada material aplicando la fórmula para tal fin.
3.6.6.4 Fórmula
𝜌 =𝑚
𝑉 𝑥 10 6
FUENTE: NTE INEN 897:2005.
Donde:
ρ = Densidad, Kg/m3.
m= Masa de la probeta, en gramos.
V= Volumen, en mm3.
70
3.7 INGENIERÍA DE PROCESOS
3.7.1 Diagrama de flujo básico del proceso
FUENTE: Elaboración propia.
Residuo Industrial Papelero
Recolección y Recepción
Secado
Clasificación y Selección de materiales impropios
Trituración primaria
Trituración Secundaria
Extrusión
Enfriamiento y Desmolde
Material Compuesto (Madera Plástica)
71
3.7.2 Diagrama por equipo del proceso
72
CAPITULO IV
ANÁLISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS
CAPITULO IV: ANÁLISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS
4.1 BALANCE DE MATERIA DEL PROCESO
El siguiente balance de materiales es para la obtención de un perfil de material
compuesto con el 100% de Residuo Industrial Papelero y 0% de PEAD.
Ro= 6,52 Kg RR= 6,52 Kg
CH= 63,5% BH CH= 63,5% BH
H20evap= 4,066 Kg
RR= 6,52 Kg S= 2,45 Kg
CH= 63,5% BH CH= 3% BH
Kg de H2O a la entrada:
6,52 𝐾𝑔 𝑀. 𝐻. 𝑥 0,635 𝐾𝑔 𝐻20
𝐾𝑔 𝑀. 𝐻.= 4,14 𝐾𝑔 𝐻2𝑂
Kg de Muestra Seca:
𝑀. 𝐻. = 𝑀. 𝑆. + 𝐻20
𝑀. 𝑆. = 𝑀. 𝐻. − 𝐻20
𝑀. 𝑆. = 6,52 𝐾𝑔 − 4,14 𝐾𝑔
𝑀. 𝑆. = 2,38 𝐾𝑔
RECOLECCIÓN
Y RECEPCIÓN
SECADO
73
Kg de H2O a la salida:
𝐶𝐻 = 𝐾𝑔 𝐻20
𝐾𝑔 𝑀. 𝐻. 𝑥 100
3 = 𝐾𝑔 𝐻20
𝐾𝑔 𝑀. 𝑆 + 𝐾𝑔 𝐻20 𝑥 100
0,03 = 𝐾𝑔 𝐻20
2,38 𝐾𝑔 + 𝐾𝑔 𝐻20
𝐾𝑔 𝐻2𝑂 = 0,0714 𝐾𝑔 + 0,03 𝐾𝑔 𝐻2𝑂
𝐾𝑔 𝐻2𝑂 =0,0714 𝐾𝑔
(1 − 0,03)= 0,074 𝐾𝑔
Kg de H2O evaporada:
H2Oevap = H2Oentrada − H2Osalida
H2Oevap = 4,14 Kg − 0,074 Kg
H2Oevap = 4,066 Kg
Kg de muestra Húmeda a la salida:
𝑀. 𝐻. = 𝑀. 𝑆. + 𝐻20
𝑀. 𝐻. = 2,38 + 0,074
𝑀. 𝐻. = 2,45 𝐾𝑔
S= 2,45 Kg RP= 2,25 Kg
CH= 3% BH
*Materiales Impropios (M.I.) = 0,20 Kg
*Se estima un 8% de materiales impropios, según lo obtenido en la caracterización.
SEPARACIÓN
DE M. I.
74
Considerando que las pérdidas son despreciables durante la trituración primaria y
secundaria, tenemos que:
𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴 = 𝑆𝐴𝐿𝐸
RP= 2,25 Kg RPG= 2,25 Kg
RPG= 2,25 Kg RPF= 2,25 Kg
Gases (G)=
RPF= 2,25 Kg Viga (V)= 1,20 Kg
Pérdidas (P)= 0,92 Kg
𝐸 = 𝑆
𝑅𝑃𝐹 = 𝑉 + 𝐺 + 𝑃
2,25 𝐾𝑔 = 1,20 𝐾𝑔 + 𝐺 + 0,92 𝐾𝑔
𝐺 = 0,13 𝐾𝑔
V= 1,20 Kg V= 1,20 Kg
EXTRUSIÓN
TRITURACIÓN
PRIMARIA
TRITURACIÓN
SECUNDARIA
ENFRIAMIENTO
75
4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES
4.2.1 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA O
RESIDUO INDUSTRIAL PAPELERO
4.2.1.1. Cálculos y tabla de resultados de la caracterización del residuo
industrial papelero
A continuación se muestra un ejemplo para el cálculo de la humedad estimada de los
materiales impropios separados de la fibra y plásticos durante la clasificación:
1 Kg CLASIFICACIÓN F= 0,66 Kg
%H= 70,93% %H= 78,72%
P= 0,14 Kg
Impropios= 0,20 Kg %H= 67,49%
%H=?
1 Kg( 0,7093) = 0,66 Kg (0,7872) + 0,14 Kg (0,6749) + 0,20 Kg X
0,7093 = 0,5196 + 0,0945 + 0,20 X
X= 0,476 = 47,6%
TABLA 2. Composición porcentual promedio estimada del residuo industrial
papelero generado en los equipos del Molino 1.
Total muestra Fibra Plásticos
Materiales Impropios Humedad
HIDROPULPER 1
Muestra Húmeda (kg) 1,00 0,66 0,14 0,20 -----
% Humedad 70,93 78,72 67,49 47,60 ----- % Muestra Seca 29,07 21,28 32,51 52,40 ----- H2O (Kg) 0,71 0,52 0,09 0,10
Muestra Seca (Kg) 0,29 0,14 0,05 0,10 -----
Composición Porcentual 14% 5% 10% 70,93% 100,00%
76
HIDROPULPER 2
Muestra Húmeda (kg) 1,00 0,47 0,37 0,16 -----
% Humedad 68,63 82,15 54,51 58,19 ----- % Muestra Seca 31,37 17,85 45,49 41,81 ----- H2O (Kg) 0,69 0,39 0,20 0,09
Muestra Seca (Kg) 0,31 0,08 0,17 0,07 -----
Composición Porcentual 8% 17% 7% 68,63% 100,54%
COMPACTADOR
Muestra Húmeda (kg) 1,00 0,46 0,32 0,22 -----
% Humedad 56,46 70,39 42,85 49,38 ----- % Muestra Seca 43,54 29,61 57,15 50,62 ----- H2O (Kg) 0,56 0,32 0,14 0,11
Muestra Seca (Kg) 0,44 0,14 0,18 0,11 -----
Composición Porcentual 14% 18% 11% 56,46% 99,46%
FUENTE: Elaboración Propia.
TABLA 3. Composición porcentual promedio estimada del residuo industrial
papelero generado en los equipos del Molino 2.
Total muestra Fibra Plásticos
Materiales Impropios Humedad
HIDRAPULPER 1
Muestra Húmeda (kg)
1 0,50 0,40 0,11 -----
% Humedad 65,60 80,99 54,07 36,74 ----- % Muestra Seca 34,40 19,01 45,93 63,26 ----- H2O (Kg) 0,66 0,40 0,21 0,04
Muestra Seca (kg) 0,34 0,09 0,18 0,07 ----- Composición Porcentual 9% 18% 7% 65,60% 99,6%
COMPACTADOR
Muestra Húmeda (kg)
1 0,37 0,49 0,14 -----
% Humedad 56,05 71,00 41,41 68,09 -----
% Muestra Seca 43,95 29,00 58,59 31,91 -----
H2O (Kg) 0,56 0,26 0,20 0,10
Muestra Seca (kg) 0,44 0,11 0,29 0,05 -----
Composición Porcentual 11% 29% 5% 56,05% 100,01%
FUENTE: Elaboración Propia.
77
TABLA 4. Resultados de la caracterización del residuo industrial papelero.
%Fibra %Plásticos
%Materiales Impropios
%Humedad
MOLINO 1
HIDROPULPER 1 14 5 10 70,93
HIDROPULPER 2 8 17 7 68,63
COMPACTADOR 14 18 11 56,46
MOLINO 2 HIDROPULPER 9 18 7 65,60
COMPACTADOR 11 29 5 56,05
PROMEDIO ESTIMADO 11,2 17,4 8 63,53
FUENTE: Elaboración Propia.
GRÁFICO 2. Resultados de la caracterización del residuo industrial papelero.
FUENTE: Propia.
63,53%11,2%
17,4%
8%
Composición Porcentual Promedio del Residuo Industrial Papelero
HUMEDAD
FIBRA
PLÁSTICOS
MATERIALESIMPROPIOS
78
TABLA 5. Estimativo de las toneladas por mes de los diferentes componentes
(humedad, fibra, plástico y materiales impropios) enviados al relleno industrial en
el año 2013.
TON/MES
TOTAL AL
MES HUMEDAD FIBRA PLÁSTICO
MATERIALES IMPROPIOS
ENERO 505 320,68 56,56 87,87 40,40
FEBRERO 577 366,40 64,62 100,40 46,16
MARZO 582 369,57 65,18 101,27 46,56
ABRIL 577 366,40 64,62 100,40 46,16
MAYO 652 414,02 73,02 113,45 52,16
JUNIO 520 330,20 58,24 90,48 41,60
JULIO 597 379,10 66,86 103,88 47,76
AGOSTO 558 354,33 62,50 97,09 44,64
SEPTIEMBRE 512 325,12 57,34 89,09 40,96
OCTUBRE 645 409,58 72,24 112,23 51,60
NOVIEMBRE 507 321,95 56,78 88,22 40,56
DICIEMBRE 610 387,35 68,32 106,14 48,80
TOTAL 6842 4344,67 766,30 1190,51 547,36
PROMEDIO 570,17 362,06 63,86 99,21 45,61
FUENTE: Elaboración Propia.
Análisis e Interpretación de Resultados de la caracterización del residuo
industrial papelero
La clasificación nos permitió conocer con qué tipo de residuo se iba a trabajar
para la elaboración de los perfiles del material compuesto como madera plástica,
lo cual se pudo lograr mediante una separación manual en los diferentes
componentes presentes en el residuo industrial, tales como: fibra, plásticos y
otras impurezas o materiales impropios, para luego calcular la composición
porcentual promedio de los mismos.
79
Los resultados presentados de la caracterización, en esta investigación nos
permite estimar que el residuo mezclado de los diferentes equipos contiene en
promedio: 63,53% de humedad, 11,2% de fibra, 17,4% de plásticos y 8% de
impurezas o materiales impropios.
Los porcentajes promedio de los componentes del residuo, obtenidos de la
caracterización, posibilitó la determinación de las cantidades estimadas en
toneladas de estos componentes que fueron enviados por mes al relleno
industrial en el año 2013, lo cual nos da un indicio de las cantidades que pueden
aprovecharse para la elaboración de materiales compuestos (madera plástica),
por mes se dispondría de alrededor de 163,07 Ton. de fibra y plásticos en
promedio, sin humedad y materiales impropios.
4.2.2 RESULTADOS DE PARÁMETROS MECÁNICOS DE LAS PROBETAS DEL
MATERIAL COMPUESTO (MADERA PLÁSTICA)
4.2.2.1 Cálculos y tabla de resultados de Resistencia a la flexión
𝑅𝐹 =1,5 𝑃 𝐿
𝑎 (𝑏)2
Donde:
RF= Esfuerzo o Resistencia a la Flexión, en Kg/cm2
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
L= Longitud entre apoyos, en cm.
a= ancho, en cm.
b= alto, en cm.
80
L, a y b, equivalen a 24, 2 y 2 cm respectivamente, por lo que la fórmula queda
resumida de la siguiente manera:
𝑅𝐹 = 4,5 𝑃
Reemplazando tenemos:
𝑅𝐹 = 4,5 𝑥 73
𝑅𝐹 = 328,50 𝐾𝑔/𝑐𝑚2
Se presentan tanto los esfuerzos o resistencias a la flexión y densidad de cada una de
las muestras (probetas) ensayadas. Considerando que el volumen para todas las
probetas del este ensayo es igual a 120 cm3 (120000 mm3), se obtienen las densidades
en Kg/m3 tabuladas a continuación:
TABLA 6. Resultados de Resistencia a la flexión de maderas plásticas
compuestas: Residuo Industrial Papelero/PEAD.
#
MUESTRA
CÓDIGO ESFUERZO PESO
UNITARIO (g)
DENSIDAD (Kg/m3)
(Kg/cm2) (MPa ó N/mm2)
VIGA
1 RPF50PE50 328,50 32,21 116,8 973
2 RPF60PE40 315,00 30,89 124,3 1036
3 RPF70PE30 162,00 15,89 137,9 1149
4 RPF80PE20 310,50 30,45 132,7 1106
5 RPF100 243,00 23,83 139,8 1165
6 RPG50PE50 281,25 27,58 130,2 1085
7 RPG100 166,50 16,33 145,8 1215
FUENTE: Elaboración Propia.
81
GRÁFICO 3. Esfuerzo de flexión vs Deformación para las diferentes probetas
ensayadas. FUENTE: Elaboración Propia.
Análisis e Interpretación de Resultados de Resistencia a la Flexión
Los resultados del esfuerzo a la flexión nos indican que para un porcentaje de
reemplazo del 50% de PEAD se obtuvo en este caso el mayor valor de
resistencia para la muestra de residuo industrial papelero más fino, la probeta del
código RPF50-PE50 (VIGA 1), es decir 328,50 Kg/cm2. A partir de este valor se
puede observar una disminución gradual de las resistencias a medida que se
reduce el porcentaje de plástico en el conformado del material compuesto
(madera plástica).
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Esfu
erzo
de
Flex
ión
Kg/
cm2
Deformación (mm)
ENSAYO DE FLEXIÓN DE MADERAS PLÁSTICAS COMPUESTAS
VIGA 1
VIGA 2
VIGA 3
VIGA 4
VIGA 5
VIGA 6
VIGA 7
82
El contenido de plástico dentro del material compuesto (madera plástica) es
beneficioso por el hecho de aumentar la resistencia a la flexión del material,
según se observan los resultados, pero también es necesario mencionar que
existe un límite en que debe reemplazarse el residuo industrial papelero por el
polímero PEAD o viceversa, porque el producto mostrará un comportamiento
netamente plástico con una resistencia menor que al estar mezclado con un
refuerzo (fibras), o mostrará baja resistencia ante una carga externa por alto
contenido de fibras, como lo señalan en otros estudios.
Según los resultados obtenidos, un tamaño de partícula menor también
contribuye al aumento de las propiedades mecánicas, en el caso de la
resistencia a la flexión, se observa que para RPF100 (VIGA 5) la resistencia es
243 Kg/cm2 frente a 166,50 Kg/cm2 para RPG100 (VIGA 7).
Con la adición del polímero PEAD se aprecia una reducción en el peso unitario
de las muestras que lo contienen. A medida que se disminuía el porcentaje de
reemplazo del plástico por el residuo industrial papelero, se iba incrementando el
peso en la muestra del material compuesto, por ende se observa que mientras
mayor sea el peso unitario, mayor será la densidad. El material más pesado y a
la vez más denso fue el DPG100 (VIGA 7).
Al comparar entre RPF100 (VIGA 5) y RPG100 (VIGA7), el peso unitario y
densidad es menor para la probeta de residuo industrial papelero más fino, es
decir 139,8 g con una densidad de 1165 Kg/m3.
Al observar nuestras probetas quebradas (anexo FOTO 25) después de los
respectivos ensayos de Flexión se deduce en primer lugar una falta de
83
homogeneidad en las mezclas o falta de distribución de la matriz polimérica
entre el residuo industrial papelero de relleno, que podría deberse al deficiente
mezclado previo a la extrusión y durante la extrusión y en particular para estos
compuestos elaborados con un residuo industrial papelero y PEAD, indicaría la
falta de aditivos que incrementen la interacción entre estas fases constituyentes,
disminuyendo estos problemas.
Las micrografías de la sección externa ilustradas en anexo la FOTO 33, muestra
el polímero PEAD entremezclado con el residuo industrial papelero en forma
desordenada, lo que aclararía por la falta de uniformidad, la disminución de las
resistencias.
Las micrografías de la sección interna (anexo FOTO 34) fueron tomadas luego
de un corte en la sección transversal de las diferentes probetas para observar los
vacíos o microporos formados en el interior de las mismas. La parte café
corresponde a la fibra de papel del residuo industrial papelero y la parte gris a la
matriz polimérica con mezclas del residuo, demostrando claramente la inserción
de tipo mecánica de estas fases. En la FOTO 32 se puede ver el Microscopio
Digital (26X-130X zoom marca zPix MM-640) empleado para la toma de las
micrografías externas e internas.
84
4.2.2.2 Cálculos y tabla de resultados de Resistencia a la compresión
𝜖 =𝐴𝐻
𝐻
𝐴1 =𝐴𝑜
1 − 𝜖
Donde:
ϵ= Epsilon (Deformación Unitaria), mm/mm (adimensional).
AH= Deformación Total (leída durante la prueba), en mm.
H= Altura inicial, en mm.
A1= Área corregida, en cm2.
Ao= Área inicial, en cm2.
𝑅𝐶 =𝑃
𝐴1
RC= Esfuerzo o resistencia a la Compresión, en Kg/cm2.
P= Carga o Fuerza aplicada sobre el material, en Kg.
Reemplazando tenemos:
𝜖 =𝐴𝐻
𝐻
𝜖 =7,500
20= 0,3750
𝐴1 =𝐴𝑜
1 − 𝜖
𝐴1 =4
1 − 0,3750= 6,4000 𝑐𝑚2
𝑅𝐶 =𝑃
𝐴1
𝑅𝐶 =550
6,4000= 86 𝐾𝑔/𝑐𝑚2
Se presentan tanto las resistencias o esfuerzo a la compresión y densidad de cada una
de las muestras (probetas) ensayadas. Considerando que el volumen para todas las
probetas del este ensayo de compresión es igual a 8 cm3 (8000 mm3), se obtienen las
densidades en Kg/m3 tabuladas a continuación.
85
TABLA 7. Resultados de Resistencia Última de compresión de materiales
compuestos (maderas plásticas).
FUENTE: Elaboración Propia.
TABLA 8. Resultados de Resistencia a la Rotura de compresión de materiales
compuestos (maderas plásticas).
# MUESTRA
CÓDIGO (Kg/cm2)
ESFUERZO ESFUERZO PROMEDIO
CUBO
1 DPF50PE50 86
93,5 101
2 DPF60PE40 123
128,5 134
3 DPF70PE30 107
113,5 120
4 DPF80PE20 77
81 85
5 DPF100 115
107,5 100
6 DPG50PE50 159
164 169
7 DPG100 95
94,5 94
FUENTE: Elaboración Propia.
# MUESTRA
CÓDIGO
(Kg/cm2) PESO
UNITARIO (g) DENSIDAD
(Kg/m3) ESFUERZO ESFUERZO PROMEDIO
CUBO
1 DPF50PE50 91
96 8 1000
101 7,3 909
2 DPF60PE40 135
136 9,1 1138
137 8,73 1091
3 DPF70PE30 122
121 9,9 1235
120 9,9 1233
4 DPF80PE20 77
80 8,7 1086
83 9,8 1225
5 DPF100 124
112 10,3 1288
100 9,4 1169
6 DPG50PE50 174
177 9 1125
180 9,4 1175
7 DPG100 105
100 9,7 1213
95 10,5 1310
86
GRÁFICO 4. Primer ensayo de Resistencia o Esfuerzo de Compresión vs
Deformación para las diferentes probetas ensayadas. FUENTE: Elaboración Propia.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Esfu
erzo
de
Co
mp
resi
ón
(K
g/cm
2)
Deformación Unitaria (mm/mm)
PRIMER ENSAYO DE COMPRESIÓN DE MADERAS PLÁSTICAS COMPUESTAS
CUBO 1
CUBO 2
CUBO 3
CUBO 4
CUBO 5
CUBO 6
CUBO 7
87
GRÁFICO 5. Segundo ensayo de Resistencia o Esfuerzo de Compresión vs
Deformación para las diferentes probetas ensayadas. FUENTE: Elaboración Propia.
Análisis e Interpretación de Resultados de Resistencia a la Compresión
Los resultados de los ensayos de resistencia de compresión muestran un
comportamiento muy variable, por lo que se sugiere realizar más pruebas y
corroborar los resultados aquí descritos. Aparentemente denotan una
disminución gradual a medida que se disminuye el porcentaje de plástico (o se
incrementa el residuo considerado como refuerzo) en el material compuesto,
como en el caso de la disminución gradual en la resistencia a la flexión. Las
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Esfu
erzo
de
com
pes
ión
(K
g/cm
2)
Deformación Unitaria (mm/mm)
SEGUNDO ENSAYO DE COMPRESIÓN DE MADERAS PLÁSTICAS COMPUESTAS
CUBO 1
CUBO 2
CUBO 3
CUBO 4
CUBO 5
CUBO 6
CUBO 7
88
resistencias obtenidas en las probetas del código RPF50-PE50 (cubo 1) y
RPF80-PE20 (cubo 4); es decir de 96 Kg/cm2 y 80 Kg/cm2, respectivamente, son
valores muy bajos que pudieron verse afectados por la deficiente interacción
entre la matriz polimérica y la fibra de papel contenida en el residuo industrial
papelero, puesto que no reaccionan químicamente estas fases, sino que se trata
de una unión mecánica, lo que produjo falta de homogeneidad y formación de
huecos internos y microvacíos en la interface fibra-matriz presentados en las
probetas, lo que además pudo deberse a la falta de compactación y sistema de
desgasificación en extrusora empleada.
En nuestro caso, la probeta que pudo ser sometida a más esfuerzo por
compresión, fue el cubo 6, es decir del código RPG50-PE50, la misma que
contiene 50% tanto del residuo industrial papelero como del PEAD, con un valor
de resistencia última promedio de hasta 177 Kg/cm2, dato que indicaría en
nuestra investigación que fibras más gruesas (al tamaño empleado para nuestras
pruebas) contenidas en el residuo industrial papelero pueden soportar más carga
por compresión en comparación de fibras más finas (al tamaño empleado para
nuestras pruebas). No obstante, el tamaño de las fibras es muy importante para
ayudar a una mejor interacción matriz-fibra, ya que si el tamaño es muy grande,
la superficie de contacto disminuye y por ende decrece esta interacción
mecánica.
Todas las probetas ensayadas a esfuerzo de compresión alcanzaron una
resistencia última con un máximo valor de carga antes de la ruptura,
indicándonos que se deforman más antes de romperse.
89
4.2.3 RESULTADOS DE PARÁMETROS FÍSICOS DE LAS PROBETAS DEL
MATERIAL COMPUESTO (MADERA PLÁSTICA)
4.2.3.1 Cálculos y tabla de resultados del contenido de humedad
%𝐶𝐻 =𝑚𝑜 − 𝑚1
𝑚1𝑥 100
Donde:
CH = Contenido de Humedad, en porcentaje.
mo = Peso inicial de la muestra, en gramos.
m1 = Peso de la muestra seca, en gramos.
Reemplazando tenemos:
%𝐶𝐻 =7,121 − 7,097
7,097𝑥 100
%𝐶𝐻 = 0,34 %
TABLA 9. Resultados de Contenido de Humedad.
FUENTE: Elaboración Propia.
Nº MUESTRA
mo m1 %CH
1 7,121 7,097 0,34
2 7,434 7,414 0,27
3 8,471 8,441 0,36
4 7,953 7,907 0,58
5 8,589 8,551 0,44
6 7,877 7,861 0,20
7 8,787 8,742 0,51
90
Análisis e Interpretación de Resultados de Contenido de Humedad
El contenido de humedad de los materiales compuestos obtenidos (madera
plástica) fue muy bajo, registrándose valores entre 0,20% y 0,60%. Esto se debe
a que estos productos además de papel contienen mezclas plásticas y polietileno
que puede influenciar a que haya menor porcentaje de contenido de esta
propiedad.
4.2.3.2 Cálculos y tabla de resultados de la Absorción de agua por
sumersión total a 2 y 24 horas
𝐴𝑎 =𝑃1 − 𝑃𝑜
𝑃𝑜𝑥 100
Donde:
Aa = Absorción de agua, en porcentaje.
P1 = Peso de la probeta después de la sumersión, en gramos.
Po = Peso de la probeta antes de la sumersión, en gramos.
Reemplazando tenemos:
𝐴𝑎 (2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) =8,309 − 8,188
8,188𝑥 100
𝐴𝑎 (2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 1,48 %
𝐴𝑎 (24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) =9,3 − 8,188
8,188𝑥 100
𝐴𝑎 (24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 13,58 %
91
TABLA 10. Resultados de Absorción de agua (Aa) a 2 horas.
Nº MUESTRA Po P1 %Aa
1 8,188 8,309 1,48
2 8,656 8,701 0,52
3 10,004 10,071 0,67
4 9,42 9,473 0,56
5 9,798 9,874 0,78
6 9,235 9,304 0,75
7 10,508 10,631 1,17
FUENTE: Elaboración Propia.
TABLA 11. Resultados de Absorción de agua (Aa) a 24 horas.
Nº MUESTRA Po P1 %Aa
1 8,188 9,3 13,58
2 8,656 8,727 0,82
3 10,004 10,104 1,00
4 9,42 9,541 1,28
5 9,798 9,904 1,08
6 9,235 9,31 0,81
7 10,508 10,707 1,89
FUENTE: Elaboración Propia.
Análisis e Interpretación de Resultados de Absorción de Agua
Con los resultados de absorción de agua a 2 y 24 horas, se refleja un aumento
gradual en la recepción de agua en las probetas ensayadas a medida que se
incrementa la cantidad del residuo industrial papelero (por el contenido de fibra
de papel en el mismo de carácter hidrofílico). Las muestras mayormente
absorbentes por sumersión a dos horas fueron la 1 y 7, con valores de 1,48% y
1,17%, respectivamente, mientras que a las veinticuatro horas la muestra 1
92
experimentó la mayor absorción 13,58%, seguida de las muestras 7 y 4, con
valores de 1,89% y 1,28%, respectivamente.
La mayor absorción a 24 horas conseguida por la muestra 1, se podría explicar
por los microvacíos internos mencionados anteriormente, los mismos que
pudieron generar una mayor área de contacto entre la superficie de la probeta
ensayada y el agua durante la sumersión. Es importante indicar que esta
muestra debería haber experimentado posiblemente la menor absorción debido
a su alto contenido de matriz polimérica de carácter hidrofóbico en relación a las
demás probetas ensayadas.
4.2.3.3 Cálculos y tabla de resultados del hinchamiento por sumersión total
a 2 y 24 horas
%𝐻 =𝑉1 − 𝑉𝑜
𝑉𝑜𝑥 100
Donde:
H= Hinchamiento, en porcentaje.
V1= Volumen después de la sumersión, en cm3.
Vo= Volumen antes de la sumersión, en cm3.
Reemplazando tenemos:
%𝐻 (2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) =9,42 − 9,24
9,24𝑥 100
%𝐻 (2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 1,92 %
%𝐻 (24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) =9,43 − 9,24
9,24𝑥 100
% 𝐻 (24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) = 2,04 %
93
TABLA 12. Resultados de Hinchamiento a 2 horas de sumersión.
FUENTE: Elaboración Propia.
TABLA 13. Resultados de Hinchamiento a 24 horas de sumersión.
FUENTE: Elaboración Propia.
Nº
MUESTRA
Dimensiones
%H Inicial Después de 2 horas
ANCHO LONGITUD ESPESOR Vo ANCHO LONGITUD ESPESOR V1
1 2,1 2,09 2,105 9,24 2,105 2,105 2,12 9,39 1,68
2 2,085 2,145 2,14 9,57 2,105 2,16 2,15 9,78 2,14
3 2,125 2,16 2,165 9,94 2,1325 2,16 2,17 10,00 0,58
4 2,095 2,17 2,16 9,82 2,095 2,17 2,16 9,82 0,00
5 2,115 2,14 2,15 9,73 2,13 2,1425 2,15 9,81 0,83
6 2,125 2,115 2,14 9,62 2,125 2,12 2,14 9,64 0,24
7 2,125 2,18 2,215 10,26 2,125 2,1875 2,235 10,39 1,25
Nº
MUESTRA
Dimensiones
% H Inicial Después de 24 horas
ANCHO LONGITUD ESPESOR Vo ANCHO LONGITUD ESPESOR V1
1 2,1 2,09 2,105 9,24 2,105 2,1075 2,125 9,43 2,04
2 2,085 2,145 2,14 9,57 2,11 2,16 2,15 9,80 2,38
3 2,125 2,16 2,165 9,94 2,133 2,1675 2,17 10,03 0,96
4 2,095 2,17 2,16 9,82 2,095 2,175 2,165 9,87 0,46
5 2,115 2,14 2,15 9,73 2,13 2,1525 2,155 9,88 1,53
6 2,125 2,115 2,14 9,62 2,125 2,1275 2,14 9,67 0,59
7 2,125 2,18 2,215 10,26 2,125 2,21 2,235 10,50 2,29
94
Análisis e Interpretación de Resultados del hinchamiento
Los resultados del hinchamiento de los materiales compuestos por sumersión
demuestran que se incrementaron algunas dimensiones físicas en las diferentes
probetas ensayadas, lo que puede observarse en los volúmenes después de la
sumersión, habiendo de esperarse que el mayor hinchamiento se lo consiguiera
a las 24 horas de la prueba. Esto puede justificarse debido al carácter hidrofílico
de las fibras es decir que es compatible con el agua, receptándola en mayor
cantidad a más tiempo de contacto con la misma, especialmente en aquellas
secciones donde la fibra no experimentó una correcta dispersión en la matriz
polimérica.
Las muestras mayormente hinchadas por sumersión a dos horas fueron en el
orden siguiente: 2, 1 y 7, con valores de 2,14%, 1,68% y 1,25% respectivamente.
A las veinticuatro horas la muestra 2 continuó experimentando la mayor
absorción 2,38%, seguida de las muestras 7 y 1, con valores de 2,29% y 2,04%,
respectivamente.
Es un poco curioso que las probetas con mayor contenido porcentual de matriz
polimérica hayan experimentado la mayor hinchazón, como fue el caso de las
muestras 1 y 2, situación que al igual como fue interpretado en la absorción de
agua por sumersión puede haberse debido a las porosidades o microvacíos
internos que estas probetas presentaron, los mismos que pudieron generar una
mayor área de contacto entre la superficie de la probeta ensayada y el agua
durante la sumersión.
95
La muestra 7 asimismo percibió más hinchazón, pudiendo en este caso
justificarse debido a que su contenido es 100% el residuo industrial papelero
(con mayor contenido fibroso).
RECOMENDACIONES Y OBSERVACIONES
Se recomienda destacadamente realizar estudios usando los mismos
componentes pero conformando los compuestos con una extrusora que presente
un sistema de desgasificación.
Se recomienda estudiar el efecto que produciría el empleo de aditivos como
compatibilizantes para mejorar la interacción de los componentes.
Se recomienda realizar estudios que involucren la obtención de los materiales
compuestos atendiendo la granulometría de la fibra contenida en el residuo
papelero considerada como nuestro material de refuerzo.
Resulta importante el retiro de cualquier tipo de metales para proteger las
cuchillas del triturador primario, así como también la alimentación al mismo debe
ser en tal modo que no se produzcan atascamientos dentro de éste,
introduciendo poco a poco el residuo a procesar.
Los ensayos de hinchamiento y absorción de agua por sumersión de nuestras
maderas plásticas se efectuaron bajo la norma INEN 0899 (1983) que es para
tableros de madera aglomerada y no específicamente para nuestros compuestos
obtenidos por extrusión, por lo que se tuvo que acoplar la prueba a esta norma
modificando las dimensiones de las probetas.
96
Los compuestos obtenidos en esta investigación presentaron una agradable
coloración debido al empleo del polietileno rojo como matriz, además los
compuestos que no lo contenían presentaron un color semejante al de la madera
natural, por lo que no se recomendaría el uso de pigmento.
Las diferentes dosificaciones se debieron a que inicialmente se realizaron
pruebas donde el 100% de la composición del material compuesto era el residuo
industrial papelero, debido a que se buscaba un mayor aprovechamiento del
mismo y se pudo determinar que era necesario incrementar el contenido de
matriz polimérica que ayudara a mejorar la interacción entre las fases
constituyentes y por ende las propiedades de resistencia.
La baja resistencia de los materiales compuestos aquí elaborados, podría
justificarse debido al bajo empleo de matriz polimérica en relación al material de
relleno o refuerzo (residuo industrial papelero con elevado contenido de fibra de
papel), al menos se supone que esto es debido a que se emplearon cantidades
desde el 50 al 80% del residuo para su aprovechamiento (dándole mayor utilidad
a este último y no al polímero), muy superiores a las que recomiendan en otras
investigaciones. Sin embargo, es notable el incremento en las resistencias
cuando se emplearon mayores porcentajes de matriz polimérica.
En la extrusora se estandarizaron temperaturas promedio de trabajo de 190 y
200 ºC para las seis zonas del cilindro por donde son obligados a pasar los
materiales a conformar, transportando, fundiendo y homogenizando.
Algunos de los defectos presentados en los productos resultantes podrían ser
atribuidos a que el tipo de máquina empleada para la conformación de los
97
materiales compuestos, la extrusora básica con husillo único no contenía partes
fundamentales para evitar ciertos inconvenientes durante la operación.
Se cree que los materiales compuestos aquí obtenidos empleando el residuo
industrial papelero, tendrán resistencia mejorada al encontrar las dosis
adecuadas tanto de éste como de matriz, con el suministro de aditivos,
elaborándolos en un equipo de extrusión completo. Las pruebas de flexión y
compresión para las proporciones aquí analizadas, indican que las resistencias
disminuyen con la incorporación de la fibra del residuo.
La obtención de un material compuesto con buenas propiedades físicas y
primordialmente mecánicas se lo puede atribuir a un correcto tratamiento de los
componentes (residuo y polímero), las proporciones empleadas, buena
dispersión, hasta inclusive correcta selección de los componentes.
Las temperaturas establecidas en la zona del barril o cilindro desde la tolva hasta
el dado, velocidad del tornillo de extrusión, sistema de enfriamiento constante
para evitar mayores contracciones y deformaciones, aditivos o compatibilizantes
para mejorar la interfaz residuo-polímero, además del proceso de secado del
material de relleno o refuerzo para ser introducido a la extrusión con un
contenido de humedad <1% evitando productos huecos y porosos, juegan un
papel importante al momento de fabricar materiales compuestos por lo que
deben ser muy considerados al momento de continuar las investigaciones
posteriores.
98
CONCLUSIONES
Se clasificaron y cuantificaron los residuos industriales papeleros por su
naturaleza en componentes como fibra, plásticos y materiales impropios con lo
cual se pudo estimar la composición porcentual promedio (11,2%, 17,4%, 8%,
respectivamente y 63,53% de humedad) con que éstos estarían siendo enviados
a los rellenos industriales, además de las cantidades que podrían ser
aprovechadas para la realización de materiales compuestos, por mes se
dispondría de alrededor de 163,07 Ton. de fibra y plásticos en promedio, sin
humedad y materiales impropios.
Se realizaron pruebas experimentales a escala de laboratorio utilizando una
extrusora básica de husillo único para la obtención artesanal de perfiles del
material compuesto (madera plástica) con lo que se pudo demostrar mediante los
resultados observados la factibilidad de la aplicación del residuo industrial
papelero en la elaboración de los mismos, con la necesidad de profundizar las
investigaciones debido a algunas limitaciones del equipo disponible para la
búsqueda de parámetros que permitan mejorar la interacción entre el residuo y
PEAD (u otro polímero) e incrementar sus propiedades mecánicas.
Con los resultados obtenidos se demuestra la necesidad de profundizar las
investigaciones en la elaboración de materiales compuestos empleando como
materia prima el residuo industrial papelero, ya que este estudio se considera
como una base para futuras investigaciones, a fin de mejorar la interacción de
99
estos residuos con PEAD (o cualquier otro polímero), con la inclusión de aditivos
y así lograr obtener productos de alta resistencia y duración, que puedan
reemplazar en algunas aplicaciones a la madera convencional.
La importancia de este estudio radica en la viabilidad de aprovechar un residuo
industrial que durante muchos años se ha dispuesto en rellenos, en la
elaboración de materiales compuestos que pueden tener un amplio rango de
aplicaciones similares a las de la madera, con el beneficio ambiental de que
Papelera Nacional minimizaría las cantidades que actualmente son destinadas a
los mismos. Se estiman en promedio por día 20 toneladas que cada vez
disminuyen su capacidad de recepción.
100
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107
108
ANEXO Nº1. FOTOS
FOTO 7. Trituradora de cuchillas.
FUENTE: Propia.
ANEXOS
FOTO 8. Residuo Industrial Papelero
triturado con la trituradora de
cuchillas. FUENTE: Propia.
FOTO 9. Trituradora de martillos.
FUENTE: Propia.
FOTO 10. Residuo industrial papelero
triturado con la trituradora de
martillos. FUENTE: Propia
109
FOTO 11. Martillos de la trituradora
de martillos. FUENTE: Propia.
FOTO 12. Material retenido por la
tamiz de la trituradora de martillos
durante la trituración secundaria.
FUENTE: Propia.
FOTO 13. Molino de bolas para
mezclado del residuo industrial
papelero y material retenido de la
trituración secundaria. FUENTE: Propia.
FOTO 14. Mezcladora de materias
primas: Residuo industrial
papelero/PEAD. FUENTE: Propia.
110
FOTO 15. Toma de temperaturas
externas de las resistencias de la
extrusora. FUENTE: Propia.
FOTO 16. Dosificación de materias
primas a la extrusora. FUENTE: Propia.
FOTO 17. Extrusora con molde
pequeño para la obtención de
probetas del material compuesto
(madera plástica). FUENTE: Propia.
FOTO 18. Extrusora con molde
grande para la obtención de perfiles
rectangulares del material compuesto
(madera plástica). FUENTE: Propia.
111
FOTO 19. Pesaje de probeta para
compresión para determinación de
densidad. FUENTE: Propia.
FOTO 20. Pesaje de probeta para
flexión para determinación de
densidad. FUENTE: Propia.
FOTO 21. Equipo para la evaluación de la resistencia a la compresión y flexión.
FUENTE Propia.
112
FOTO 22. Probetas del material compuesto para ensayo de Flexión. FUENTE: Propia.
FOTO 23. Probeta colocada para la
aplicación de la carga en ensayo de
Resistencia a la Flexión. FUENTE:
Propia.
FOTO 24. Probeta después de ensayo
de Resistencia a la Flexión. FUENTE:
Propia.
113
FOTO 25. Probetas del material compuesto rotas en el ensayo de Flexión. FUENTE:
Propia.
FOTO 26. Probetas para el ensayo de Resistencia a la Compresión. FUENTE: Propia.
114
FOTO 27. Probeta colocada para la
aplicación de la carga en ensayo de
Resistencia a la Compresión. FUENTE:
Propia.
FOTO 28. Probeta después de ensayo
de Resistencia a la Compresión.
FUENTE: Propia.
FOTO 29. Probetas ensayadas en prueba de Resistencia a la Compresión. FUENTE:
Propia.
115
FOTO 30. Determinación del contenido de humedad de los materiales compuestos
obtenidos. FUENTE: Propia.
FOTO 31. Probetas durante ensayo de Absorción e hinchamiento por sumersión.
FUENTE: Propia.
116
FOTO 32. Microscopio Digital conectado al computador para tomar micrografías
de las probetas del material compuesto (madera plástica). FUENTE: Propia.
FOTO 33. Micrografías de la sección externa de las probetas del material
compuesto (madera plástica). FUENTE: Propia.
117
FOTO 34. Micrografías de la sección interna de las probetas del material
compuesto (madera plástica). FUENTE: Propia.
FOTO 35. Madera plástica empleada
en camineras en la Isla Santay. FUENTE: Propia.
FOTO 36. Ecoaldea construida con
madera plástica en la Isla Santay. FUENTE: Madera Plástica Ecuador.
118
ANEXO Nº 2. TABLAS DE RESULTADOS DE PRIMER ENSAYO DE COMPRESIÓN
DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Altura= 2 cm
Área (A)= 4 cm2
Ancho= 2 cm
Volumen (V)= 8 cm3
CUBO 1 - RPF50PE50
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 25 Wm= 8,0 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1000 Kg/m3
200 1,000 0,0500 0,9500 4,2105 48
300 1,100 0,0550 0,9450 4,2328 71
400 1,800 0,0900 0,9100 4,3956 91
500 5,500 0,2750 0,7250 5,5172 91
550 7,500 0,3750 0,6250 6,4000 86
CUBO 2 – RPF60PE40
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 25 Wm= 9,1 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1138 Kg/m3
200 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 49
300 0,800 0,0400 0,9600 4,1667 72
400 1,100 0,0550 0,9450 4,2328 95
500 1,200 0,0600 0,9400 4,2553 118
600 2,000 0,1000 0,9000 4,4444 135
654 5,000 0,2500 0,7500 5,3333 123
CUBO 3 – RPF70PE30
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 9,9 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1235 Kg/m3
200 0,300 0,0150 0,9850 4,0609 49
300 0,600 0,0300 0,9700 4,1237 73
400 1,000 0,0500 0,9500 4,2105 95
500 1,700 0,0850 0,9150 4,3716 114
600 3,800 0,1900 0,8100 4,9383 122
620 6,200 0,3100 0,6900 5,7971 107
119
CUBO 4 – RPF80PE20
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,000 0,0000 1,0000 4,0000 25 Wm= 9,1 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1131 Kg/m3
200 0,400 0,0200 0,9800 4,0816 49
300 1,000 0,0500 0,9500 4,2105 71
400 4,800 0,2400 0,7600 5,2632 76
410 5,000 0,2500 0,7500 5,3333 77
CUBO 5 – RPF100
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 10,3 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1288 Kg/m3
200 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 50
300 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 73
400 0,800 0,0400 0,9600 4,1667 96
500 1,400 0,0700 0,9300 4,3011 116
600 3,500 0,1750 0,8250 4,8485 124
635 5,500 0,2750 0,7250 5,5172 115
CUBO 6 – RPG50-PE50
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 9,0 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1125 Kg/m3
200 0,300 0,0150 0,9850 4,0609 49
300 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 73
400 0,900 0,0450 0,9550 4,1885 96
500 1,100 0,0550 0,9450 4,2328 118
600 1,800 0,0900 0,9100 4,3956 137
700 3,000 0,1500 0,8500 4,7059 149
800 4,000 0,2000 0,8000 5,0000 160
900 4,500 0,2250 0,7750 5,1613 174
910 6,000 0,3000 0,7000 5,7143 159
120
CUBO 7 – RPG100
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 9,7 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1213 Kg/m3
200 0,300 0,0150 0,9850 4,0609 49
300 0,700 0,0350 0,9650 4,1451 72
400 1,200 0,0600 0,9400 4,2553 94
500 3,200 0,1600 0,8400 4,7619 105
500 4,800 0,2400 0,7600 5,2632 95
ANEXO Nº3. TABLA DE RESULTADOS SEGUNDO ENSAYO DE COMPRESION DE
LOS MATERIALES COMPUESTOS
CUBO 1 – RPF50PE50
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,000 0,0000 1,0000 4,0000 25 Wm= 7,3 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 909 Kg/m3
200 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 50
300 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 73
400 1,100 0,0550 0,9450 4,2328 95
500 4,300 0,2150 0,7850 5,0955 98
575 6,000 0,3000 0,7000 5,7143 101
CUBO 2 – RPF60PE40
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,000 0,0000 1,0000 4,0000 25 Wm= 8,73 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1091 Kg/m3
200 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 50
300 0,400 0,0200 0,9800 4,0816 74
400 0,600 0,0300 0,9700 4,1237 97
500 1,100 0,0550 0,9450 4,2328 118
600 1,800 0,0900 0,9100 4,3956 137
700 4,500 0,2250 0,7750 5,1613 136
740 5,500 0,2750 0,7250 5,5172 134
121
CUBO 3 – RPF70PE30
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 9,9 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1233 Kg/m3
200 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 50
300 0,400 0,0200 0,9800 4,0816 74
400 0,900 0,0450 0,9550 4,1885 96
500 1,200 0,0600 0,9400 4,2553 118
580 3,500 0,1750 0,8250 4,8485 120
CUBO 4 – RPF80PE20
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 8,7 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1086 Kg/m3
200 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 50
300 0,900 0,0450 0,9550 4,1885 72
390 3,000 0,1500 0,8500 4,7059 83
CUBO 5 – RPF100
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 25 Wm= 9,4 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1169 Kg/m3
200 0,600 0,0300 0,9700 4,1237 49
300 0,900 0,0450 0,9550 4,1885 72
400 1,500 0,0750 0,9250 4,3243 93
500 5,000 0,2500 0,7500 5,3333 94
550 5,500 0,2750 0,7250 5,5172 100
122
CUBO 6 – RPG50-PE50
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 25 Wm= 9,4 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1175 Kg/m3
200 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 50
300 0,300 0,0150 0,9850 4,0609 74
400 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 98
500 0,800 0,0400 0,9600 4,1667 120
600 1,000 0,0500 0,9500 4,2105 143
700 1,500 0,0750 0,9250 4,3243 162
800 2,800 0,1400 0,8600 4,6512 172
900 4,000 0,2000 0,8000 5,0000 180
950 5,800 0,2900 0,7100 5,6338 169
CUBO 7 – RPG100
Carga (Kg)
Deformación
1 - ϵ
Área Corregida
Esfuerzo a Compresión
Peso Unitario y Densidad
Leída (mm)
Unitaria ϵ= AH/H
(cm2) Ao /(1 - ϵ)
(Kg/cm2) RC= P/A1
100 0,100 0,0050 0,9950 4,0201 25 Wm= 10,5 g V= 8,00 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1310 Kg/m3
200 0,200 0,0100 0,9900 4,0404 50
300 0,500 0,0250 0,9750 4,1026 73
400 1,000 0,0500 0,9500 4,2105 95
430 2,500 0,1250 0,8750 4,5714 94
123
ANEXO Nº4. ENSAYO DE FLEXIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Longitud= 30 cm
Ancho= 2 cm
Alto= 2 cm
Área= 60 cm2
Volumen= 120 cm3
VIGA 1 - RPF50PE50
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 0,200 45,00 Wm= 116,8 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 973 Kg/m3
20 0,200 90,00
30 1,000 135,00
40 3,100 180,00
50 7,000 225,00
60 13,000 270,00
70 21,000 315,00
73 32,000 328,50
VIGA 2 – RPF60PE40
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 0,100 45,00 Wm= 124,3 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1036 Kg/m3
20 0,500 90,00
30 2,800 135,00
40 5,200 180,00
50 10,000 225,00
60 14,800 270,00
70 22,000 315,00
124
VIGA 3 – RPF70PE30
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 2,800 45,00 Wm= 137,9 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1149 Kg/m3
20 5,000 90,00
30 9,500 135,00
36 21,000 162,00
VIGA 4 – RPF80PE20
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 0,500 45,00 Wm= 132,7 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1106 Kg/m3
20 0,500 90,00
30 2,000 135,00
40 4,000 180,00
50 7,900 225,00
60 12,000 270,00
69 20,000 310,50
VIGA 5 – RPF100
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 0,500 45,00 Wm= 139,8 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1165 Kg/m3
20 1,500 90,00
30 4,000 135,00
40 6,500 180,00
50 12,800 225,00
54 20,000 243,00
125
VIGA 6 – RPG50-PE50
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 0,100 45,00 Wm= 130,2 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1085 Kg/m3
20 1,500 90,00
30 5,500 135,00
40 8,000 180,00
50 14,800 225,00
60 24,800 270,00
63 30,000 281,25
VIGA 7 – RPG100
Carga Deformación Unitaria
Esfuerzo a Flexión Peso Unitario y Densidad
(Kg) (mm) (Kg/cm2) RF= 4,5 P
10 2,000 45,00 Wm= 145,8 g V= 120,0 cm3
ρ= Wm/V ρ= 1215 Kg/m3
20 5,000 90,00
30 11,800 135,00
37 21,500 166,50
ANEXO Nº5. CERTIFICADOS
126
127
128
129
ANEXO Nº6. PRINCIPALES PROPIEDADES FÍSICAS, MECÁNICAS, TÉRMICAS Y
QUÍMICAS DEL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
Propiedades Unidades Valor
PROPIEDADES FÍSICAS
Densidad g/cm3 0.941 – 0.965
Absorción de Agua mg a 96 h <0.5
Contracción % 1.5 – 3
Resistencia a la tensión al Cede N/mm2 18 – 35
Elongación Punto de Ruptura % 1000
Resistencia al impacto Ranurado1 A 20 C A –20 C
KJ/m KJ/m
No rompe –6
>5
Temperatura de Defección 1.86 N/mm2 0.45 N/mm2
C° C°
50 75
Resistencia Dieléctrica KV/cm >600
PROPIEDADES MECÁNICAS
Coeficiente de Fricción 0,29
Dureza – Rockwell D60-73 – Shore
Módulo de Tracción ( GPa ) 0,5-1,2
Relación de Poisson 0,46
Resistencia a la Tracción ( MPa ) 15-40
Resistencia al Impacto Izod ( J m-1 ) 20-210
PROPIEDADES TÉRMICAS
Calor Específico ( kJ.kg-1.K-1 ) 1.9
Conductividad Térmica a 23 °C ( W m-1 K-1 )
0.45-0.52
Dilatación Térmica ( x10-6 K-1 ) 100-200
Temperatura Máxima de Utilización
( °C ) 55-120
Temperatura de Deflexión en Caliente – 0.45Mpa
(°C ) 75
PROPIEDADES QUÍMICAS
Ácidos – concentrados Buena
Ácidos – diluidos Buena
Álcalis Buena
Alcoholes Buena
Cetonas Buena
Grasas y Aceites Aceptable
Halógenos Mala
Hidrocarburos Aromáticos Aceptable-Buena
FUENTE: Roca, 2005.