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FABRICACIÓN DE PANELES ECOLÓGICOS

Clave del proyecto: CIN2012A10252

COLEGIO BRITÁNICO

Autores:

Karina Nedyibe Albarrán Ochoa

Brenda Rodríguez Mendoza

Sergio Eduardo Margeli González

Asesor:

Soid Pacheco López

Área de conocimiento:

Ciencias biológicas, químicas y de la salud.

Disciplina

Química

Tipo de investigación:

Documental

México, Distrito Federal a 11 de Febrero del 2013

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RESUMEN

La contaminación es un problema que afecta a toda la sociedad hoy en día y que además va

incrementando debido a ciertos factores, sobre todo industriales como la creación y utilización de

materiales para la construcción, los cuales además de no ser amigables con el medio ambiente

tienen también otras características y propiedades que no resultan convencionales. Para evitar

esto se tuvieron y se tienen que encontrar nuevas alternativas para reducir sus efectos dañinos.

Afortunadamente, no hace mucho tiempo se comenzó a hacer uso de materiales que resultan

fácilmente reciclables, como son los plásticos para la creación de diversos productos y entre ellos

se encuentran los llamados paneles para la construcción de hogares, los cuales tienen una gran

cantidad de ventajas puesto que son livianos y resistentes, aunque no presentan del todo

resistencia ante un incendio. Es por todo lo antes mencionado, que en este trabajo diseñaremos

paneles ecológicos con las características existentes y que además sean capaces de contrarrestar

el tiempo de combustión. Tras realizar esto, se puede determinar que el PET reciclado es una buena

opción para la creación de paneles ecológicos aplicados a la construcción.

Palabras clave: Paneles ecológicos, PET, construcción, reciclado, retardante, incendios.

ABSTRACT

Pollution is considered a problem that is affecting all the society nowadays, and that by the way, is

increasing day by day mainly because of some factors, specially industrial ones, which can be the

creation and usage of certain construction materials, not for only for not being environmentally

friendly but also for having characteristics and properties that make them less conventional. In order

to avoid this, new alternatives had and have to be found to reduce their harmful effects.

Fortunately, not long ago, new materials that are easily recyclable, such as plastics began to

be used in the creation of many products like for example ecological panels, which have a

great amount of advantages due to their lightness and resistance, but it do not present endurance

for fires at all. Considering this, we think that it is possible to design ecological panels with

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characteristics that already exist and that also are capable of counteracting or reducing a fire

effect. After this, it was possible to say that recycled PET is a good option for creating ecological

panels applied to construction.

Keywords: ecological panels, PET, construction, recycling, retardant, fire.

INTRODUCIÓN

Los paneles de construcción, son usados principalmente para dividir, separar espacios o como

aislantes térmicos o acústicos. En la actualidad existen paneles ecológicos utilizados como

acabados de pared cuyos componentes resultan contaminantes al ambiente puesto que

contribuyen al calentamiento global y efecto invernadero, sin embargo, existen otros

materiales que son menos dañinos. Basándonos en este argumento ¿será posible diseñar un panel

ecológico a base de PET que a la vez sea de utilidad para contrarrestar incendios? Con este

nuevo material se pretenden atenuar dos problemas, por un lado recuperar residuos sólidos y por

otro, lograr que miles de familias puedan disponer de un hogar gracias a los nuevos materiales

mucho más económicos que los convencionales y además amigable con el ambiente. Por todo lo

antes mencionado, el objetivo del presente trabajo es diseñar paneles ecológicos para la

construcción utilizando PET (Poli Etilén Tereftalato), perteneciente al grupo de los materiales

sintéticos denominados poliésteres, tipo de materia prima plástica derivada del petróleo,

correspondiendo su fórmula a la de un poliéster aromático, utilizado para la realización de botellas

de agua, láminas, planchas, entre otros.

Las consecuencias climáticas que estamos sufriendo no mienten. Es necesario desarrollar nuevas

tecnologías que nos permitan mejorar nuestra calidad de vida. Una alternativa es hacer uso del PET

para construir productos prefabricados para la construcción.

Un panel es un material de construcción prefabricado que permite la división vertical de viviendas

u oficinas. El panel ecológico es un elemento constructivo para muros losas u otros productos

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diseñado y fabricado a base de una estructura tridimensional de acero de alta resistencia calibre

No.10, la cual aloja en su interior una placa de fibras producto del reciclado y tratado de residuos

industriales que servirá como aislante térmico y acústico, sustituyendo materiales que encuentran su

naturaleza en recursos no renovables, el panel ecológico se convierte en un muro sólido, resistente,

durable, térmico, acústico, económico y ecológico, algunos de los usos de los paneles ecológico

son en muros, losas, cumbreras, faldones, volúmenes de fachada, cunetas, barras, divisiones,

elementos decorativos, ampliaciones, bardas, etc.

Se han desarrollado ladrillos y paneles de plástico reciclado para aminorar en la medida de lo

posible el déficit existente de viviendas. Los nuevos materiales se obtienen partiendo de los

desperdicios generados por la población, como pueden ser envolturas de alimentos o envases de

plástico, estos se trituran y mezclan con cemento. Con estos nuevos materiales se pretenden

atenuar dos problemas, por un lado recuperar elementos contaminantes de la naturaleza y

por otro, lograr que miles de familias puedan disponer de un hogar gracias a los nuevos

materiales mucho más económicos que los convencionales.

Por otra parte, existen cantidades importantes de materiales, de costo bajo o nulo por ser

residuos: entre otros, los plásticos procedentes de envases descartables de bebidas, y de

envolturas de alimentos. Estos materiales, que no son biodegradables, actualmente son enviados

a predios de enterramiento sanitario municipal, o quemados en basureros clandestinos,

generando graves problemas de contaminación ambiental.

Sólo un pequeño porcentaje de los mismos es reciclado.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Demostrar que los materiales reciclados PET pueden ser útiles para la creación de materiales de

construcción y retardar el incendio por las micro gotas contenidas en los poros del panel.

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OBJETIVO ESPECÍFICOS

Demostrar que los paneles de construcción utilizando PET hidratado ayudan a

aminorar los efectos de un incendio.

Dar un destino útil a parte de la basura urbana, con una visión ecológica.

Reemplazar en parte sistemas constructivos tradicionales que producen a la

larga el deterioro del medio ambiente.

FUNDAMENTOS TEÓRICO

ORIGEN DE LOS BLOQUES PARA LA CONSTRUCCIÓN

La utilización del mortero de concreto por los Romanos data desde a principios del año

200 a. C. con la finalidad de dar forma a las piedras usadas en la construcción de edificios en esa

época. Durante el reinado del emperador romano Calígula en el año 37-

41 d. C. pequeños bloques de concreto prefabricados fueron usados como material de

construcción en la región cerca de lo que hoy se conoce como Nápoles, Italia.

Sin embargo, mucha de la tecnología desarrollada por los romanos se perdió tras la caída del

imperio en el siglo V. No fue sino hasta 1824 que el Inglés Joseph Aspdin, desarrollo el cemento

Portland, que llego a ser un componente esencial del concreto moderno.

El primer bloque de concreto fue diseñado en 1890 por Harmon S. Palmer en los

Estados Unidos. Después de 10 años de experimentación, Palmer patentó el diseño en

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1900. Los bloques de Palmer fueron de 20.3x25.4x76.2 cm. En 1905, aproximadamente

1500 compañías estadounidenses se encontraban manufacturando bloques de concreto.

Estos bloques eran sólidos sumamente pesados en los que se utilizaba la cal como material

cementante. La introducción del cemento Portland y su uso intensivo, abrió nuevos horizontes a

este sector de la industria.

A principios del siglo XX aparecieron los primeros bloques huecos para muros; la ligereza de estos

nuevos bloques significa, por sus múltiples ventajas, un gran adelanto. Las primeras máquinas que se

utilizaban en la entonces incipiente industria se limita a simples moldes metálicos, en los cuales se

compacta la mezcla manualmente; este método de producción se siguió utilizando hasta los años

veinte, época en que aparecieron máquinas con martillos accionados mecánicamente,

más tarde se descubrió la conveniencia de la compactación lograda basándose en vibración y

compresión; actualmente, las más modernas y eficientes máquinas para la elaboración de bloques

de concreto utilizan el sistema de vibro compactación.

Los bloques de concreto son principalmente usados como materiales de construcción de

paredes. La mayoría de los bloques tienen una o más cavidades y sus lados pueden ser planos o

con algún diseño. Ya en la construcción, los bloques de concreto son colocados uno a la vez con

concreto fresco, para formar el alto y el ancho deseado de la pared.

ORIGEN DE LOS PANELES NO ECOLÓGICOS

Un panel es una porción de una pared, puerta u otra superficie, que tiene forma

geométrica (generalmente cuadrada o rectangular) y está limitada por molduras o franjas

de distinto color.

Aunque los paneles de núcleo de espuma ganaron la atención en la década de 1970, la idea de

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usar los paneles de piel para la construcción se inició en la década de 1930. Investigación y ensayo

de la tecnología se hizo principalmente por el Laboratorio de Productos Forestales (FPL) en

Madison, Wisconsin, como parte de un intento de servicio forestal de los EE.UU, para conservar

los recursos forestales. En 1937, una pequeña casa con piel estresada fue construida y recibió la

suficiente atención hasta el punto de atraer a la Primera Dama Eleanor Roosevelt para dedicar la

casa. En un testimonio de la durabilidad de las estructuras con paneles, esta resistió el intenso clima

de Wisconsin y fue utilizada por la Universidad de Wisconsin-Madison como una guardería hasta

1998, cuando fue eliminada para dar paso a un edificio de una nueva escuela de farmacia. Con el

éxito de los paneles de piel de estrés, se sugirió que las pieles más fuertes podrían soportar todas

las cargas estructurales y eliminar la estructura del edificio convencional completo. Después de

la creación de su prototipo, el Laboratorio de Productos Forestales introdujo su diseño personalizado

SIP (Structural Insulated Panels) en el mercado, donde fue vendido por los treinta años siguientes.

Los ingenieros del Laboratorio de Productos Forestales no eran los únicos produciendo paneles

estructurales. De hecho, la década de 1930 se vio a la tecnología sándwich de panel emerger de

otra fuente. Algunos de los ejemplos más tempranos de los SIPs se pueden encontrar en las casas

Usonian diseñadas por nada menos que el famoso arquitecto Frank Lloyd Wright.

ORIGEN DE LOS PANELES ECOLÓGICOS

La bioconstrucción es un concepto aplicado a la construcción, edificación y urbanismo, que

estudia de manera integral las relaciones del ser humano con su entorno edificado. Convirtiéndose

en una alternativa ecológica y sustentable que tiene como fin, entender y aprender de un

ecosistema dinámico y armónico que busca estar en constante equilibrio con el medio

ambiente y el ser humano en todas sus facetas. Esta disciplina además conjuga la aplicación de

recursos sostenibles, materiales no contaminantes y energías renovables.

No hace falta investigar demasiado para darse cuenta que la relación entre el hombre y el Planeta

Tierra no ha sido muy armónica a lo largo de la historia. Sobre todo en los últimos siglos, la

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civilización humana se ha encargado de colocar al planeta en una situación crítica, embarcada

en una idea de progreso tecnológico indefinido que en ningún momento tuvo en cuenta que la

naturaleza no existe para exclusivo servicio del hombre ni sus recursos son infinitos.

Sin embargo, han surgido en los últimos años alternativas de vida y de crecimiento económico que

incorporan la noción ambiental como criterio central. En ese aspecto, la construcción de viviendas

también se ha encarado bajo estos preceptos, a través de un conjunto de técnicas denominadas

como bioconstrucción.

Un proyecto bioconstructivo y ecológico debería ser realizado con materiales naturales y

aprovechando las ventajas del lugar, del clima e incorporando el valor de la salud humana como

eje central de la edificación.

Los mayores progresos de la bioconstrucción se han hecho en países europeos como Alemania,

donde nació de la preocupación por la contaminación química producida por los materiales

sintéticos empleados. Aquí aparece el tópico del síndrome del edificio enfermo.

Paralelamente al aumento de las enfermedades e incluso de la mortandad, el movimiento creció y

en 1976 se fundó el “Institut für Baubiologie” (Instituto de Bioconstrucción) en Baviera, Alemania,

que se ocupa hasta la actualidad de todos los aspectos de la bioconstrucción, tanto en la

faceta de la investigación como de la divulgación. Actualmente la bioconstrucción se estudia e

investiga en gran parte de Europa, Norte América y desde el año 2010 en Sud América.

PET

Poli Etilén Tereftalato, perteneciente al grupo de los materiales sintéticos denominados poliésteres,

tipo de materia prima plástica derivada del petróleo, correspondiendo su fórmula a la de un

poliéster aromático (Figura 1).

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Figura 1. Estructura química del PET.

Se caracteriza por su elevada pureza, alta resistencia y tenacidad. De acuerdo a su orientación

presenta propiedades de transparencia, resistencia química; esta resina es aceptada por la Food

and Drugs Administration (FDA). Existen diferentes grados de PET, los cuales se diferencian por su

peso molecular y cristalinidad.

Estructura química del PET

El Poli Etilén Tereftalato (PET) es un Poliéster Termoplástico y se produce a partir de dos compuestos

principalmente: Ácido Terftálico y Etilenglicol, aunque también puede obtenerse utilizando

Dimetiltereftalato en lugar de Ácido Tereftálico. Su fórmula molecular es C10H8O4.

Propiedades del PET

1. Procesable por soplado, inyección, extrusión. Apto para producir frascos, botellas, películas,

láminas, planchas y piezas.

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2. Transparencia y brillo con efecto lupa.

3. Excelentes propiedades mecánicas.

4. Barrera de los gases.

5. Biorientable-cristalizable.

6. Esterilizable por gamma y óxido de etileno.

7. N°1 en reciclado.

8. Liviano

9. Densidad amorfa 1,370 g/cm3

10. Densidad cristalina 1,455 g/cm3

Principales aplicaciones del PET

En la actualidad se están abriendo cada vez nuevos campos de aplicación del PET, entre sus

aplicaciones más importantes se encuentran:

PET de grado textil: Es utilizado para fabricar fibras sintéticas, principalmente poliéster en sustitución

de algunas como algodón o lino. Se emplea para la producción de fibras de confección y para

rellenos de edredones o almohadas y la sustentación para cauchos, lonas, bandas transportadoras,

etc.

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PET de grado botella: Es utilizado para fabricar botellas, debido principalmente a que el PET

ofrece características favorables en cuanto a resistencia contra agentes químicos, ligereza, menos

costos de fabricación y comodidad en su manejo. Tiene una infinidad de usos dentro del sector de

fabricación de envases.

PET de grado film: Se utiliza también en la fabricación de film, es decir, todas las películas

fotográficas, de rayos X y de audio están hechas de PET

Pasos del reciclado de PET

El reciclado de los envases de PET se consigue por dos métodos; el químico y el mecánico, a los

que hay que sumar la posibilidad de su recuperación energética. El primer paso para su reciclado

es su selección desde los residuos procedentes de recogida selectiva o recogida común. En el

primer caso, el producto recogido es de mucha mayor calidad; principalmente por una mayor

limpieza.

El reciclado químico: se realiza a través de dos procesos metanólisis y la glicólisis.

Metanólisis: se lleva a cabo por medio del tratamiento del polímero con altas cantidades

de metanol en presencia de un catalizador a altas presiones y temperatura. En la metanólisis se

descompone el PET en sus moléculas básicas, dimetil tereftalato y etilenglicol que pueden ser

nuevamente polimerizados para la obtención de PET virgen.

Glicólisis: es el segundo método más importante para el procesamiento químico del reciclado del

PET. El resultado de una glicólisis exhaustiva son los productos BHET (monómero tereftalato de bis

(2-hidroxietileno)) y EG (etilenglicol) (Figura 2). El rango de temperaturas empleadas va de 180o

C

a 250o

C durante un periodo de 0.5 a 8 horas y como catalizador acetato de Zinc. Los productos

de la despolimerización son el bis (hidroxietil) tereftalato y el etilen glicol.

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Básicamente, en ambos, tras procesos mecánicos de limpieza y lavado, el PET se deshace o

despolimeriza; se separan las moléculas que lo componen para, posteriormente, ser empleadas

de nuevo en la fabricación de PET.

El reciclado mecánico es menos costoso, pero obtiene un producto final de menor calidad. Con

este método se obtiene PET puro incoloro destinado a bebidas refrescantes, agua, aceites y

vinagres, PET verde puro para bebidas refrescantes y agua, mientras que el PET multicapa con

barrera de color destinado a cervezas, zumos, etc. Así como el PET puro de colores intensos, opacos

y negros se obtienen del reciclado químico.

Figura 2. Glicolisis del PET

Proceso de recuperación mecánico del PET:

Primera fase: se procede a la identificación y clasificación de botellas, lavado y

separación de etiquetas, triturado, separación de partículas pesadas de otros materiales

como polipropileno, polietileno de alta densidad, etc, lavado final, secado mecánico

y almacenaje de la escama.

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Segunda fase: esta escama de gran pureza se grancea; se seca, se incrementa su

viscosidad y se cristaliza, quedando apta para su transformación en nuevos elementos de

PET.

Aprovechamiento energético del PET

Dado que el PET es un polímero formado por 2 átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno, al ser

quemado produce dióxido de carbono (CO2) y agua junto con un desprendimiento de energía.

CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS

• Costos:

Los cerramientos realizados con placas de PET o con mampuestos de

PET cuestan menos que otros realizados con soluciones tradicionales.

La economía se basa en que:

Gran parte de la materia prima es muy económica o gratuita (PET).

La técnica de fabricación es muy simple, fácilmente reproducible por personal no

especializado. El costo de mano de obra no es mayor que el requerido para

fabricar una mezcla “común” (con áridos convencionales: grancilla y arena

gruesa).

No es necesaria una infraestructura de gran amplitud para producir el material.

Las placas se fabrican en taller, pueden ser manipuladas por dos trabajadores,

permiten un montaje rápido, lo cual posibilita una economía de mano de obra y

tiempo. Se ahorra también en cantidad de material, unión entre elementos y en

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transporte.

Hay un “ahorro a largo plazo” por la reducción de la contaminación del medio

ambiente, mediante el reciclado de materiales de desecho.

• Peso:

Los paneles realizados con mampuestos elaborados con PET son livianos por el bajo peso

específico de la materia prima (570 kg/m3

). Su peso es sustancialmente menor al de otros

cerramientos tradicionales que se usan para la misma función.

• Conductividad térmica:

Los paneles fabricados con PET son malos conductores del calor, por lo que proveen una

excelente aislación térmica, superior al de otros paneles tradicionales.

• Resistencia mecánica:

Un taponamiento realizado con placas de PET tiene una resistencia similar a la de otros

taponamientos realizados con elementos constructivos tradicionales.

Por su resistencia, las placas de PET pueden ser utilizadas en viviendas de hasta dos pisos de altura

con losas de concreto, con estructura independiente o con cubiertas livianas como chapas de

zinc, sin estructura independiente.

• Absorción de agua:

Los paneles con PET tienen una baja absorción de agua, por ser el PET un material muy

impermeable.

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• Aptitud para el clavado y aserrado:

Las placas y mampuestos con PET son fáciles de clavar y aserrar, por lo que tienen aptitud

para constituir sistemas constructivos no modulares.

• Adherencia de revoques:

Las placas y mampuestos con PET poseen buena aptitud para recibir revoques con morteros

convencionales, por su alta rugosidad superficial.

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

1. El proceso de fabricación de los paneles ecológicos se realizó en un medio seco.

2. Primero se hizo una recolección de botellas o materiales hechos a base de PET.

3. El material recolectado se cortó con tijeras.

4. El material obtenido se lavo y seco.

5. Después se llevo a cabo la trituración de los residuos PET.

6. Se realizó un molido de Papel Kraft junto con espuma de Poliuretano semirrígida.

7. El material obtenido se mezclo con una resina termo estable fenólica para obtener

la base del panel.

8. Posteriormente, se realizó el prensado del panel a temperatura hasta que se obtuvo el

espesor deseado que deberá ser de 15mm y una textura lisa.

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9. Al molde se le inyecto agua para que esta se quede en los poros del panel de

PET.

10. El panel paso por un escuadrado, es decir, se le dio forma para obtener un panel a

escala (1:10) de 12 x 3 x 0.3 cm.

11. Finalmente se realizó un test de impacto duro y una prueba de resistencia al fuego

para conocer y comprobar su resistencia con otros paneles comerciales.

RESULTADOS

Características del panel ecológico

Las características geométricas (rectangular) de nuestro panel ecológico se observan en la

tabla 1.

Tabla 1. Características geométricas del panel ecológico

Dimensiones Ancho(mm) 1,200

Dimensiones Largo (mm) 3000

Espesor (mm) 30

Placa de PET

Las placas de PET son el resultado del reciclado del mismo. Acto seguido de su liberación

se les inyectan las micro esferas de agua como se muestra en la figura 3.

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Micro esfera de

Agua

Figura 3. Panel Ecológico hecho a base de PET con pequeñas inyecciones de agua.

Panel

El Panel está formado Placas de PET prensadas.

Placas de PET

con micro esferas

de agua

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Figura 4. Panel Ecológico hecho a base de PET.

Test de impacto (Objeto Duro)

El test se realizó dejando caer una bola de 250 mm de diámetro y 6,5 kg de peso desde diferentes

alturas (500 – 400 – 300 mm), para comparar la resistencia de nuestro panel ecológico en

comparación a otros paneles: Fibro-Cemento, Aglom.-10 y MDF.-10. Las

operaciones de caída se han repetido hasta la rotura del material (Grafica 1).

5

4

3

2

1

0

Panel

Ecológico

Fibro-

Cement

o

Aglom.-

10

19

MDF.-10

500mm

400mm

300mm

20

TIPO DE PANEL

Grafica 1. Representa el test de impacto a diferentes alturas al cual fue sometido el panel

ecológico, para comprobar su resistencia, comparándolo con tres diferentes tipos de paneles.

Por lo tanto, se puede observar que nuestro panel ecológico elaborado a base de PET tiene una

resistencia mecánica mayor aun a la de otros paneles: Fibro-Cemento, Aglom.-10 y MDF.-10;

realizados con elementos constructivos tradicionales.

RESISTENCIA AL FUEGO (PRUEBA EN LABORATORIO ESCOLAR)

Esta prueba se realizó, con la finalidad de conocer cuánto tarda en quemarse el PET sin

ningún retardante. El resultado que obtuvimos fue que tardó 2 minutos en quemarse.

Respecto al panel ecológico este tarda aproximadamente 3.5 min en quemarse. Para esta

prueba no tenemos datos comparables, ya que revisando la literatura no se menciona

cuanto tiempo tardan en quemarse los paneles fabricados ya existentes. Sin embargo, existen

datos de conductividad térmica en paneles fabricados con PET, los cuales son malos

conductores del calor, por lo que proveen una excelente aislación térmica, superior al de otros

paneles tradicionales.

CONCLUSIONES

Los nuevos elementos constructivos desarrollados utilizando PET reciclado son una alternativa

posible para la ejecución de herramientas de construcción, más ecológica, más económica,

más liviana y de mejor aislación térmica, que la mampostería de ladrillos comunes de tierra

cocida que se utilizan tradicionalmente.

El PET reciclado utilizado en los elementos constructivos desarrollados reemplaza parcialmente a

los áridos de una mezcla convencional (grancilla y arena gruesa) para ciertos usos específicos;

con las siguientes ventajas: tiene un bajo peso específico aparente por lo que el hormigón

realizado con ellos es más liviano; y tiene mala conductividad térmica por lo que el

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hormigón realizado con ellos provee una mejor aislación térmica.

Esta tecnología pionera en la “construcción ecológica” (por reciclar un material que

actualmente en gran cantidad se acumula o entierra, con un proceso de fabricación no

contaminante; y por evitar la desertificación del suelo que produce la elaboración del ladrillo

común de tierra cocida al cual reemplaza), constituye un paso adelante en la búsqueda de un

desarrollo regional sustentable, con positivo impacto ambiental.

Como podemos observar en la gráfica 1, el PET tiene mayor resistencia al impacto mecánico

con respecto al cemento y el aglomerado, referencia de los otros 3 materiales. Las

pruebas realizadas en el laboratorio demostraron que con las micro gotas en los poros del

panel ayudan a retardar en incendio, debido al punto de ebullición de éstas y la

característica de capacidad calorífica del agua.

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