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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


3.5.4.2 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


3.6.3.2 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



3.6.4.3 Procedimiento ......................................................................................... 65

3.6.4.4 Fórmula ................................................................................................... 66

3.6.5 DETERMINACION DEL HINCHAMIENTO POR SUMERSION TOTAL A 2 Y

24 HORAS .................................................................................................................. 67



3.6.5.3 Procedimiento ......................................................................................... 67

3.6.5.4 Fórmula ................................................................................................... 68

3.6.6 DETERMINACION DE DENSIDAD ............................................................... 68



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.


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%




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

21

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:




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


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).


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


Donde:




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.



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


Las probetas para el ensayo pueden ser de cualquier forma y dimensión.

3.6.3.2 Equipos y materiales

Balanza digital

Estufa

Papel Aluminio


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


Donde:


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


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.


Balanza digital

Recipiente con agua

Termómetro

Tirillas para medir PH


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



67

3.6.5 DETERMINACION DEL HINCHAMIENTO POR SUMERSION TOTAL A 2 Y

24 HORAS


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.


Calibrador

Recipiente con agua

Termómetro

Tirillas para medir PH


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


Donde:




3.6.6 DETERMINACION DE DENSIDAD


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


Balanza Digital

Flexómetro


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


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 Seca (Kg) 0,31 0,08 0,17 0,07 -----


COMPACTADOR



Muestra Seca (Kg) 0,44 0,14 0,18 0,11 -----


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 -----


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 -----



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


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


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:




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


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.




𝑅𝐶 =𝑃

𝐴1




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).


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


# 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:


mo = Peso inicial de la muestra, en gramos.

m1 = Peso de la muestra seca, en gramos.


%𝐶𝐻 =7,121 − 7,097

7,097𝑥 100

%𝐶𝐻 = 0,34 %

TABLA 9. Resultados de Contenido de Humedad.


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.




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


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


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 (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.


TABLA 13. Resultados de Hinchamiento a 24 horas de sumersión.


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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http://www.ambientum.com/revista/2003_12/MADERA.htm



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



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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



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



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



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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


Carga (Kg)

Deformación

1 - ϵ

Área Corregida



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



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



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



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



(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




(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




(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



(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



(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



(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

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.

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