Propiedades térmicas y mecánicas del PET reciclado y sus mezclas

El polietileno tereftalato (PET) es un poliéster de condensación producido por una reacción entre un di-ácido y un di-alcohol. Las principales materias primas para la producción de PET son el di-metil tereftalato (DMT), ácido tereftálico (TPA) y etilén glicol (EG).

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¿Qué es el PET?

El PET es un polímero de alta producción con diversas aplicaciones. La naturaleza semi-cristalina de este poliéster permite obtener una gran variedad de propiedades tanto físicas como mecánicas que se ajustan muy bien a la fabricación de fibras, películas, botellas y diferentes partes moldeadas. Estas partes son convertidas en productos finales tales como prendas de ropa, alfombras, empaques y bienes industriales.

La mayoría de las propiedades físicas y mecánicas del PET mejoran si el peso molecular aumenta. El peso molecular requerido depende del uso final del poliéster. Por ello, las resinas de PET (especialmente las de grado alimenticio) se someten a una poli-condensación en estado sólido con el fin de aumentar su peso molecular.

El PET es conocido por ser un material termoplástico higroscópico que absorbe la humedad con facilidad. Por lo tanto, las condiciones óptimas de secado antes del procesamiento son cruciales. El contenido de humedad en el polímero promueve la degradación durante el procesamiento y conlleva a la reducción del peso molecular, que a su vez afecta las propiedades del producto final.

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Aquí están los equipos que necesita para procesar PET:

• Máquina compacta de modelo por inyección-soplado para PET

• Máquina automatizada para fabricar envases

• Máquina de modelo por inyección-soplado de alta eficiencia

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Experimentación

Materiales:

La compañía Leading Synthetics Pty suministró los gránulos de tres grados diferentes de PET:

1. PET 100% virgen (BK3180)
2. PET 100% reciclado grado alimenticio
3. PET 100% reciclado grado fibra

Procedimientos:

Las mezclas de PET virgen y PET reciclado grado alimenticio se prepararon con las siguientes tasas en peso:

1. 90% PET virgen 10% PET reciclado
2. 80% PET virgen 20% PET reciclado
3. 70% PET virgen 30% PET reciclado
4. 50% PET virgen 50% PET reciclado

Todos los diferentes grados de PET se secaron en un horno al vacío a una temperatura de 170° C durante 4 horas. Los materiales secados se introdujeron en bolsas de aluminio selladas para prevenir su exposición a la atmósfera. Las muestras para los ensayos mecánicos fueron hechas utilizando la máquina de inyección por moldeo "Battenfeld BA 350/75" con las siguientes condiciones:

Temperatura del tornillo:

Zona trasera: 25° C
Zona media: 290° C
Zona frontal: 285° C
Boquilla: 285° C
Tiempo de enfriamiento: 13s
Temperatura del molde: 10-15°

Los ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC) se realizaron en atmósfera de nitrógeno utilizando una rampa de calentamiento/enfriamiento de 10° C/min, desde temperatura ambiente hasta 290° C usando una masa de muestra entre 6 y 12mg. Los ensayos de TGA fueron hechos utilizando una rampa de temperatura de 10° C/min desde temperatura ambiente hasta 500° C.

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Cotice los accesorios que necesita en su fábrica:

• Mordazas para sujeción de moldes
• Desmoldantes, grasas y lubricantes
• Patas niveladoras para máquinas de inyección, soplado y extrusión
• Estantes para moldes

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Los análisis de TGA se efectuaron para resaltar las diferencias en el comportamiento de degradación de los materiales. En el caso de la DSC se realizaron ensayos en 2 ciclos.

El primer ciclo borra la historia térmica de la muestra, al calentarla por encima de la temperatura de fusión, de forma que los datos correspondientes al segundo ciclo no estén influenciados por el programa de enfriamiento indefinido.

Los ensayos de tensión se hicieron en primera instancia a condiciones ambientales y luego a temperatura elevada para todos los materiales. A condiciones ambientales, los ensayos se realizaron en una máquina de ensayos universal Zwick Z010 conforme con la norma australiana AS 1145.1-2001.

Los ensayos de tensión a alta temperatura se hicieron en una máquina INSTRON usando una recámara térmica que rodea el sistema de mordazas y la muestra en tensión. La temperatura del ensayo fue de 110° C. Se escogieron estas condiciones para comparar el comportamiento a la elongación de varios materiales.

La máxima velocidad del ensayo a la cual las mordazas podían sostener la muestra sin que esta resbalara fue de 200 mm/min. Antes de comenzar el ensayo, las probetas de tensión se acondicionan durante 5 minutos en la recámara térmica para garantizar el equilibrio en temperatura. Se utilizan cinco muestras para obtener un conjunto de resultados por cada material.

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¿Tiene los mezcladores que necesita en su fábrica?:

• Mezclador de cuatro componentes
• Mezclador de seis componentes
• Mezclador de ocho componentes
• Mezclador de 12 componentes

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Resultados y discusión

La tabla 1 muestra las variaciones de la temperatura de fusión y de la cristalinidad con respecto al contenido de PET reciclado. Los resultados indican que el porcentaje de cristalinidad está fuertemente afectado por el contenido de PET reciclado.

Sin embargo, se observaron diferencias significativas en las temperaturas de recristalización de los diferentes materiales. La figura 1 muestra que la temperatura de recristalización es completamente dependiente del contenido de reciclado. Entre más alto el contenido de reciclado más alta la temperatura a la cual el material comienza a recristalizar. La temperatura de recristalización del PET virgen es la más baja en tanto que el material reciclado grado alimenticio y el material reciclado grado fibra presentan valores mucho más elevados que la muestra virgen.

El material de PET reciclado grado alimenticio tiene una temperatura de recristalización mucho más alta que el PET virgen, a pesar de que el grado de cristalinidad entre ambos apenas difiere en 0,5% (tabla 1). El material de PET reciclado grado fibra tiene la temperatura de fusión más elevada, así como el mayor nivel de cristalinidad en comparación con los otros materiales. Los ensayos de TGA no revelaron ninguna clase de diferencias en el comportamiento a la degradación de los materiales.

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Lea también: Guía sobre el PET: propiedades, producción y aplicaciones 

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El PET virgen comienza a degradarse lentamente, alrededor de 380° C, antes de que el peso comience a decrecer significativamente a 400° C. Para todos los materiales probados, la curva del ensayo de TGA es prácticamente la misma. No existe diferencia entre el material virgen y los materiales reciclados. Ninguno de los materiales presentó pérdidas significativas de peso antes de 380° C.

En el caso de las propiedades mecánicas, los ensayos de tensión a temperatura ambiente mostraron que el PET virgen tiene una resistencia a la tensión similar a las mezclas 90-10, 80-20, 70-30 y 50-50. Estos materiales tuvieron una resistencia aproximadamente igual a 57 MPa, mientras que el resto de materiales reciclados al 100% presentaron una resistencia de 66 MPa.

Esto se debe al mayor grado de cristalinidad de los materiales de PET 100% reciclados. La figura 2 muestra que el módulo de elasticidad del PET virgen y del PET reciclado (grado alimenticio y fibra) son bastante similares cuando se les compara con las mezclas evaluadas. En el ensayo de tensión a elevada temperatura, cuando la temperatura de ensayo está por encima de la temperatura de transición vítrea del PET, las probetas se encuentran en un estado cauchoso que explica por qué la resistencia a la tensión es mucho más baja en comparación con la resistencia a temperatura ambiente.

A elevadas temperaturas la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad de los grados de PET reciclado son más bajos que aquellos del PET virgen, mientras que a temperatura ambiente la tendencia es totalmente opuesta. (Ver figura ilustrativa en www.plastico.com).

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¿Cómo ser más eficiente en la fabricación de botellas PET?

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La temperatura de recristalización está influenciada directamente por el contenido de PET reciclado. El aumento del contenido de reciclado en una formulación de PET incrementa significativamente la temperatura de recristalización, siendo el PET 100% reciclado el material que presenta el mayor valor de esta propiedad. A elevada temperatura, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad del PET virgen son más altos que aquellos del PET reciclado y sus mezclas. Esto muestra que las propiedades mecánicas de las mezclas de PET virgen/reciclado son peores que aquellas de los materiales vírgenes.