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Elaboración de un aglomerado de Arundo Donax y Poliestireno


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Medio Ambiente

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Resumen

El unicel (poliestireno expandido) es un termoplástico contaminante que al ser usado por única vez tiende a ser desechable, cuenta con una fase de descomposición de mil años, mientras que las opciones para su reciclaje son muy pocas, por otro lado, en el norte y centro de México se reproduce el carrizo (arundo donax) dentro de los ecosistemas riparios, esta es una planta alóctona a nivel mundial según la UICN (Unión Internacional para el Control de la Naturaleza); es por ello que surge la necesidad de realizar un composito a base de carrizo y unicel con el que se pretende reducir el uso de madera, lo que atenúa la deforestación excesiva.

A través de la molienda del carrizo a una criba de 1/8 se puede observar que es un material anisotrópico ya que contiene fibras en desorden, por lo cual es necesario diseñar una prensa manual a la que se le aplica un torque de 20 lb-ft para que adquiera una densidad de 0.4941 g/cm³ la cual es similar a la densidad del pino es de 0.5851 g/cm³.

Pregunta de Investigación

¿Es posible reutilizar el unicel o poliestireno, que es un agente altamente contaminante y el carrizo como planta invasora en los cuerpos de agua para la obtención de un aglomerado?

Planteamiento del Problema

La Asociación Nacional de Industrias del Plástico (ANIPAC) y la Asociación Nacional de la Industria Química (ANIQ), estiman que el consumo nacional del unicel en México es de 125 mil toneladas anuales, además, el poliestireno es el cuarto termoplástico de mayor tonelaje (Smith,2004), aunado a esto es uno de los plásticos más contaminantes, con un ciclo de vida muy corto por lo que se desecha rápidamente y las propuestas para su tratamiento y reciclaje son muy pocas.

El carrizo (Arundo donax), es considerada por la Unión Internacional para el Control de la Naturaleza (UICN) como una de las más peligrosa y nocivas plantas alóctonas invasoras a nivel mundial; se reproduce mediante rizomas que pueden crecer medio metro cada año (Sanz,2004); se considera muy agresiva ya que invade los cuerpos de agua , adaptándose sobre todo a suelos pobres, ácidos, frágiles, con altas concentraciones de sales, genera una modificación completa de los ecosistemas, debido al azolvamiento y taponamiento de los cuerpos de agua, ya que pierden su capacidad de conducción y almacenamiento.

Teniendo de antesala este contexto es imprescindible desarrollar procesos que permitan reciclar el poliestireno, debido a que el material del que está conformado tiende a no descomponerse mediante los procesos naturales en por lo menos 1000 años. De acuerdo con (Gracia, 2010) han encontrado que el polímero rehusado en solución tiene diferentes aplicaciones pudiendo fungir como adhesivo para la elaboración de un aglomerado, permitiendo así el aprovechamiento del carrizo que en la región de Jilotepec EDOMEX no tiene utilidad alguna, más sin embargo se encuentra presente en los cuerpos de agua con que cuenta el municipio.

Antecedentes

Con base en los tonelajes de las ventas globales de ciertos termoplásticos en 1998, junto con sus listas de precios a granel en 2000, se observa que cuatro de los materiales plásticos principales (polietileno, policloruro de vinilo, polipropileno y poliestireno) se encuentran entre los más vendidos (Smith, 2004).

Los poliestirenos generalmente tienen propiedades promedio y son frágiles pero económicos. Suelen aplicarse en contenedores desechables, empaques, charolas para carnes, galletas y dulces, aislantes para espumas, electrodomésticos, componentes -automovilísticos y de radio y televisión, artículos domésticos y partes para juguetes y muebles (como sustituto de madera) (Kalpakjian, 2008).

La planta de carrizo, es muy parecida a la caña común, pero se diferencia de ésta por su menor tamaño y su floración. Se identifica por ser una planta robusta, provista de tallos rígidos, gruesos y muy duros, que pueden llegar a alcanzar una altura de hasta 3 m; sus usos son muy diversos; con los tallos secos se fabrican techos; las hojas se emplean como forraje para el ganado y con las inflorescencias una vez secas, se hacen escobas y adornos florales. Desde hace relativamente poco tiempo, se cultiva para la obtención de celulosa, materia prima que se utiliza para la fabricación de la pasta de papel.

Objetivo

OBJETIVO GENERAL

Realizar mediante la disolución de los deshechos de poliestireno (unicel) y Carrizo (Arundo Donax) un aglomerado que permita sustituir el uso de madera comercial (pino).

 

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

                       Identificar las principales problemáticas que causa el unicel en el medio ambiente, su periodo de vida y el lapso de tiempo para su descomposición.

Analizar las propiedades del arundo donax para evaluar factibilidad del proceso y establecer condiciones iniciales.

Crear un dispositivo de compresión que permita la adherencia de la disolución del unicel con las fibras de carrizo.

Justificación

Se continúan haciendo muchos esfuerzos globalmente en la recolección y el reciclado de productos plásticos usados. Los termoplásticos se reciclan refundiéndolos y reformándolos como otros productos, que portan símbolos de reciclado. (Kalpakjian,2008) Mas sin embargo el poliestireno es barato y se puede procesar fácilmente para producir modelos con formas complejas, tamaños diversos y detalles superficiales finos, además es un producto muy contaminante que no se descompone ni se integra a la naturaleza.

 

La distribución de Arundo donax en México indica alrededor de 138 registros de esta planta en la distribución general en el país; es una planta a la que se le considera invasiva y cuyas fibras se consideran de poco valor o aplicación, esta gramínea silvestre se propaga fácilmente de manera natural y crece de 2 m a 4 m de altura. México es uno de los países con más diversidad en el uso de especies de madera. En los últimos seis años se ha incrementado considerablemente el uso de madera principalmente lo que ha provocado una alta deforestación en el país, es por ello que surge la necesidad de realizar un aglomerado que permita reducir el uso de madera de pino al igual que del unicel para contribuir a solucionar la problemática ambiental que ha generado el uso desmedido de estos elementos naturales, reducir su escases en el ambiente y así dejar una huella ecológica en la región.

Hipótesis

Si se elabora un aglomerado de Arundo Donax y Poliestireno se podrá ofrecer una alternativa de consumo de madera comercial(pino).

Método (materiales y procedimiento)

Para la elaboración del material compuesto se utilizó Arundo donax, unicel y dos tipos de soluciones químicas.

  • Los tallos fueron cortados en forma seccional para ser molidos con una criba de 1/8 en el molino para que se le dé una mayor finura a las fibras del carrizo.

       

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Molienda del carrizo

 

  • Diseño (figura 2) y fabricación del dispositivo de compresión vertical (figura 3).

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Diseño del dispositivo

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3. Dispositivo de compresión

 

  • Recolección y limpieza del unicel

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4. Recolección y lavado de unicel

Se trata de un dispositivo de compresión que gira de la parte superior a inferior de manera vertical para que el compuesto dentro del tubo por sus propiedades físicas en ese momento se comprima y  adopte una forma tubular y que al momento de secarse se vuelva rígido.

  • Diseño de experimentos: De acuerdo a cada una de las variables contenidas se prepararon soluciones de diferente concentración para la realización de las probetas a las cuales se les harán diferentes tipos de pruebas para saber cual cuenta con las mejores propiedades (tabla 1).

 

 

 

 

  • Tabla 1. Diseño de experimentos

 

  • APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA
    • Elaboración de las probetas para su estudio
      • Teniendo en cuenta el diseño de experimentos se realizó el adhesivo con la cantidad adecuada de cada solución, así como de carrizo y unicel para cada probeta; se mezcló todo manualmente de modo que las fibras de carrizo quedaran totalmente cubiertas con el adhesivo; posteriormente se vació todo el compuesto en moldes.

    Se dejó secar la fibra ya comprimida a temperatura ambiente durante 72 horas.

  • Pruebas
  • Resistencia al agua
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  • Figura 5. Pruebas de resistencia al agua

 

  • Humedad
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  • Figura 6. Tratamiento térmico (humedad)

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pruebas de Resistencia

Se realizó un análisis con 2 diferentes muestras de carrizo haciendo uso de la maquina universal con la que se calculó la fuerza, tensión, deformación y rotura de desplazamiento; partiendo de parámetros normales hasta llegar al punto máximo de quiebre, obteniendo de cada muestra una curva de tensión-deformación; se puede apreciar que mientras menor sea el área, mayor será el esfuerzo aplicado en las muestras, llegando así a un punto de fractura.

Módulo de Elasticidad

En el módulo de elasticidad cada muestra tiene una constante de flexibilidad que depende las condiciones del sistema, es decir, cuando se libera la carga el material va a regresar a sus condiciones naturales antes de ser deformado; si se le continúa aumentando carga al material entonces se va a llegar al tiempo de fractura donde el material no aguanta más esfuerzo y se fractura.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL AGLOMERADO

Esta se mide en la maquina universal, con ella se puede saber que tan comprimido se encuentra el material o que tanto más se puede comprimir,  con esto adquiere mejores propiedades.

   

 

 

 

 

 

 

Figura 7. Pruebas de resistencia a la compresión.

 

 

 

Galería Método

Resultados

  • RESULTADOS Apegados a las diferentes pruebas realizadas al aglomerado se obtuvieron los siguientes resultados.RESISTENCIA AL AGUA:El aglomerado fue dejado dentro del recipiente con agua por 72 horas durante las cuales se pudo observar que dicho compuesto no la absorbe ni cambia sus propiedades.Al colocar un recubrimiento a las probetas usando el mismo pegamento para comprimir el material este adquiere una propiedad más, la cual no permite que en el compuesto se presenten grietas o cuarteaduras.

    PROPIEDADES FÍSICAS

    De acuerdo a las pruebas realizadas (densidad, humedad, temperatura y tratamiento térmico), se puede observar que el aglomerado de Arundo donax es menos denso, tiene una humedad 2.5% mayor a la madera comercial, se observa que no arde aun con llama directa sino que se pulveriza como el carrizo normal.

 

 

 

 

Se realizó un comparativo del modelo inicial y final para conocer las nuevas propiedades adquiridas; con una masa de 38 gramos cada una se puede observar como en el modelo final la densidad aumenta al aplicar una fuerza de 824.09 N con una diferencia de 701.87 N respecto al modelo inicial.

 

PRUEBAS DE RESISTENCIA

con dos diferentes pruebas de carrizo se efectuó en la maquina universal un ensayo de resistencia para cada una, con estas se pudo observar la firmeza del material en su forma natural, en cada ensayo se obtiene una gráfica que muestra el módulo de elasticidad y el momento en que el material llega a romperse por fractura.  

 

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL AGLOMERADO

La muestra de aglomerado con la que se realizó esta prueba aguanto 120 kilogramos de compresión además de los ya aplicados anteriormente, se pudo observar que el ejemplar utilizado únicamente se ensancho de la parte superior y obtuvo una mayor dureza, de acuerdo a esto se observa que al aplicar mayor fuerza al comprimir las fibras se unen de mejor manera por lo que el compuesto adquiere mayores propiedades.

 

Galería Resultados

Discusión

Apegados a las diferentes pruebas realizadas al aglomerado se obtuvieron los siguientes resultados.

 

RESISTENCIA AL AGUA:

El aglomerado fue dejado dentro del recipiente con agua por 72 horas durante las cuales se pudo observar que dicho compuesto no la absorbe ni cambia sus propiedades.

Al colocar un recubrimiento a las probetas usando el mismo pegamento para comprimir el material este adquiere una propiedad más, la cual no permite que en el compuesto se presenten grietas o cuarteaduras.

 

PROPIEDADES FÍSICAS

De acuerdo a las pruebas realizadas (densidad, humedad, temperatura y tratamiento térmico), se puede observar que el aglomerado de Arundo donax es menos denso, tiene una humedad 2.5% mayor a la madera comercial, se observa que no arde aun con llama directa sino que se pulveriza como el carrizo normal.

Se realizó un comparativo del modelo inicial y final para conocer las nuevas propiedades adquiridas; con una masa de 38 gramos cada una se puede observar como en el modelo final la densidad aumenta al aplicar una fuerza de 824.09 N con una diferencia de 701.87 N respecto al modelo inicial.

 

PRUEBAS DE RESISTENCIA

con dos diferentes pruebas de carrizo se efectuó en la maquina universal un ensayo de resistencia para cada una, con estas se pudo observar la firmeza del material en su forma natural, en cada ensayo se obtiene una gráfica que muestra el módulo de elasticidad y el momento en que el material llega a romperse por fractura.  

 

RESISTENCIA A LA COMPRESION DEL AGLOMERADO

La muestra de aglomerado con la que se realizó esta prueba aguanto 120 kilogramos de compresión además de los ya aplicados anteriormente, se pudo observar que el ejemplar utilizado únicamente se ensancho de la parte superior y obtuvo una mayor dureza, de acuerdo a esto se observa que al aplicar mayor fuerza al comprimir las fibras se unen de mejor manera por lo que el compuesto adquiere mayores propiedades.

Conclusiones

El Poliestireno es un termoplástico con un lapso de mil años para su descomposición, Los compuestos derivados del poliestireno son sumamente tóxicos, y capaces de dañar la capa de ozono que nos protege de los rayos UV.

El Arundo Donax es una planta alóctona del mundo, por ello fue necesario reutilizarla para la elaboración de un aglomerado con el fin de sustituir la madera comercial, con el que por sus propiedades adquiere una mayor resistencia a la intemperie dándole impermeabilidad al material.

Se fabricó un dispositivo el cual permitió la fabricación del comprimido entre Arundo Donax y Poliestireno pudiendo alcanzar propiedades similares a la de la madera comercial(pino).

Se elaboró un aglomerado de Arundo Donax con Poliestireno el cual arrojo resultados iniciales similares a los de la madera comercial, señalando que aún es necesario la realización de pruebas de fuerza, tensión, desplazamiento y deformación.

Bibliografía

  • Askeland Donald, 1998, Ciencia E Ingeniería De Los Materiales, 3ra Edición,
  • Gracia, 2010: citado en Mayorga, D. C. Oliver, O. L. D., Giles, N. M. Peñaloza, C. V. 2014
  • Kalpakjian Sirope, 2008, Schmid R Steven, Manufactura, Ingeniería Y Tecnología, Quinta Edición,
  • Periódico el sol de Toluca
  • Salkind, 1999, Métodos De Investigación, 3ra Edición,
  • Sanz Elorza Et Al, 2004, Atlas De Plantas Alóctonas Invasoras De España
  • Smith William, 2004, Fundamentos De Ciencia E Ingeniería De Los Materiales, 4ta Edición,


Elaboración de un aglomerado de Arundo Donax y Poliestireno


Elaboración de un aglomerado de Arundo Donax y Poliestireno

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography