Determinación de las condiciones de extrusión de un material compuesto biodegradable a nivel industrial (2019)
La acumulación de desechos plásticos ha impulsado investigaciones que conllevan a obtener nuevos materiales amigables con el ambiente usando materias primas renovables. El presente documento de maestría describe la obtención de un material compuesto a partir de harina de yuca y fibra de fique mediante extrusión por doble tornillo y moldeo por compresión. Así mismo se efectuó la simulación del proceso de extrusión en un equipo de laboratorio e industrial mediante el software Ludovic ®. La simulación industrial fue validada con pruebas reales de extrusión, para lo cual se obtuvieron pellets de harina y fique que fueron moldeados por compresión para ser evaluados y comparados en función de sus propiedades mecánicas de flexión, térmicas por DSC y TGA, micro-estructurales por SEM y sus propiedades de absorción de agua. Para la obtención del material a nivel de laboratorio, se llevó a cabo un experimento factorial 23 con tres réplicas donde se evaluaron como factores la humedad de la mezcla a extruir (25 % bh y 35 % bh), la velocidad de giro de los tornillos (150 rpm y 200 rpm) y el perfil de temperatura (85 °C y 95 °C). Como variables de respuesta se evaluaron las propiedades mecánicas de flexión de especímenes moldeados a partir del material extruido y la energía mecánica específica (EME) aplicada durante el proceso de extrusión. Se determinó que los especímenes con las mayores propiedades mecánicas de flexión representadas por el módulo de elasticidad fueron los elaborados a partir de una mezcla con el 25 % de humedad (bs), a un perfil de temperatura de 95 °C y una velocidad de giro de los tornillos de 200 rpm, presentando módulos elásticos de 734,76 MPa. A estas condiciones se aplicó una EME de 63,69 kWh.t -1, la cual pudo garantizar una completa gelatinización de los gránulos de almidón presentes en la mezcla extruida y por ende una eficiente interacción entre la matriz y la fibra de fique, lo que se vio reflejado en los valores del módulo elástico del material. El ajuste de las condiciones de extrusión a nivel industrial se efectuó haciendo uso del software Ludovic ®, especializado para simular procesos de extrusión de doble tornillo. En primer lugar, se determinaron experimentalmente las propiedades de la mezcla polimérica (térmicas, físicas y reológicas). Luego se procedió a configurar la simulación del proceso a nivel de laboratorio e industrial y se ejecutó la simulación. Se incorporó la EME como variable de salida, la cual indica el efecto termo-mecánico que tiene el proceso sobre el producto final extruido. Se identificó que los valores de la EME experimentales y simulados no superaron un porcentaje de error del 10%, lo que indica que el software LUDOVIC ® puede ser una herramienta efectiva para llevar a cabo pruebas de escalamiento del proceso de extrusión. Al ajustar la velocidad de giro de los tornillos a 180 rpm, se logró obtener una EME por debajo de 70 kWh.t -1, valor que, según la extrusión a nivel de laboratorio, se requiere aplicar para la obtención de un producto final con propiedades mecánicas altas. Se tomaron muestras del material moldeado por compresión a partir de pellets extruidos en el laboratorio (ELAB) y en un equipo industrial (EIND), se determinaron las propiedades mecánicas de flexión, térmicas por DSC y TGA, de absorción de agua. Adicionalmente se realizó un análisis morfológico de imágenes tomadas mediante SEM. Se evidenciaron diferencias significativas estadísticamente entre las muestras evaluadas con relación al módulo de elasticidad en flexión, esfuerzo máximo de flexión y en la absorción de agua. En este sentido, las muestras ELAB presentaron mayores propiedades mecánicas de flexión y menor porcentaje de absorción de agua lo que demostró una alta adhesión entre las fibras de fique y la matriz de harina. Así mismo se evidenciaron diferencias en la morfología de las muestras evaluadas por SEM, donde se observó la presencia de grietas tanto en la superficie como en el corte transversal de las muestras EIND, efecto que pudo ser provocado por una posible deficiencia en la adhesión entre la matriz y la fibra y a una pobre termo-plastificación del material.