ISSN 2477-9105
Número 27 Vol.1 (2022)
19
En los residuos sólidos plásticos el polipropileno es uno de los termoplásticos de mayor consumo a
nivel urbano y por ende el de mayor generación de residuos. En este sentido, el reciclaje mecánico es
la tecnica mas sencilla de aplicación aprovechando de residuos de la misma familia de termoplastico
que acondicionado con otras fibras permiten el mejoramiento de sus propiedades, mediante la
elaboración de composites con fibras naturales o sinteticas. El presente estudio tiene como objetivo
el analisis de las propiedades más importantes de composites hechos de poliproplieno con fibras
naturales: de plátano y de abacá; composites de polipropileno con polietilen tereftalato a diferentes
concentraciones, con y sin acoplante; y un tratamiento termico para el mejoramiento de la matriz
de polipropileno reciclado. Se obtienen probetas mediante extrusión de monohusillo a diferentes
perfiles de temperatura y concentraciones de fibra adicionada. Se plantea el tratamiento térmico
al polipropileno midiendo el grado de cristalización que se genera. Posterior, se mide la tracción,
flexión y calorimetría diferencial de barrido de los composites de buena trabajabilidad usando como
acoplante anhidrido terftalico. Los resultados muestran mejoras en las propiedades de tracción y
flexión al momento de adición del agente acoplante en ambos composites y con concentraciones bajas
de fibra de refuerzo.
Palabras claves: Reciclaje Mecánico, Plásticos Post consumo, Compostes Polipropileno.
In solid plastic waste, polypropylene is one of the thermoplastics with the highest consumption in
urban areas and, therefore, the one with the highest waste generation. In this sense, mechanical
recycling is the simplest application technique taking advantage of the waste of the same family of
thermoplastics that conditioned with other fibers allow the improvement of their properties, through
the elaboration of composites with natural or synthetic fibers. This study aims to analyze the most
important properties of compounds made of polypropylene with natural fibers: banana and abaca;
polypropylene compounds with polyethylene terephthalate in different concentrations, with and
without couplant; and a heat treatment for the improvement of the recycled polypropylene matrix.
Samples are obtained by single screw extrusion at different temperature profiles and concentrations
of added fiber. The heat treatment of polypropylene is proposed by measuring the degree of
crystallization that is generated. Subsequently, the calorimetry of traction, flexion and differential
sweep of good workability compounds is measured using terphthalic anhydrous coupler. The results
show improvements in tensile and bending properties at the time of addition of the coupling agent in
both compounds and with low concentrations of reinforcing fiber.
Keywords: Mechanical Recycling, Post-consumer Plastics, Polypropylene Composts
Fecha de recepción: 23-05-2021 Fecha de aceptación: 03-09-2021 Fecha de publicación: 31-01-2022
R
esumen
A
bstract
MEJORAMIENTO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIPROPILENO
RECICLADO MEDIANTE ADICIÓN DE FIBRAS VEGETALES, POLIETILEN
TERFTALATO Y TRATAMIENTO TÉRMICO.
Improvement of the mechanical properties of recycled polypropylene through addition of
vegetable bers, polyethylene terphthalate and heat treatment.
1
Paul Palmay* ,
1
Sofía Sanipatin ,
1
Daniela Poalacin ,
2
Caterine Donoso
1
Escuela Superior Politecnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.
2
Universidad Tecnica de Cotopaxi, Facultad de Ciencias Agropecuarias y Recursos Naturales,
Latacunga, Ecuador.
*paul.palmay@espoch.edu.ec
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i27.146
20
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la tecnología ha orientado sus
esfuerzos en combinar las propiedades de dife-
rentes tipos de materiales, a fin de obtener mate-
riales compuestos con mejores propiedades o con
propiedades útiles para aplicaciones específicas.
El reciclaje de termoplásticos reforzados con fi-
bra natural recibe gran atención debido a su bajo
costo, buenas propiedades y en especial a su bio-
degradabilidad, razón que las convierte en un
reemplazo adecuado al uso de fibras sintéticas
usadas en el sector corporativo de los polímeros
(1,2).
Las propiedades de la matriz, las fibras y la in-
terfaz fibra-matriz cambian con cada reciclaje
siendo de suma importancia tomar en cuenta la
relación (L / D) de las fibras, que representa la
relación entre la longitud (L) y el diámetro (D) de
las fibras de refuerzo (3), ya que de acuerdo a esto
se evaluaran las propiedades mecánicas obteni-
das del composite.
Este parámetro es de suma importancia ya que
ofrece una idea clara de la unión interfacial, así
como la transferencia de carga entre las fibras y
la matriz de plástico. Existen varios estudios de
refuerzo con fibras naturales como cáñamo o
sisal, donde se presenta un mejoramiento de la
matriz de plástico en sus propiedades mecánicas
de los composites (4,5).
La combinación de diferentes polímeros con la
matriz base de propileno mejora ciertas propie-
dades físicas como la resistencia a la tracción y
la flexión, entre estos tenemos el tereftalato de
polietileno (PET).
Las matrices poliméricas obtenidas se utilizan
cada vez más para reemplazar piezas metálicas
debido, entre otras cosas, a una mejor relación
resistencia / densidad y bajo costo (6,7). Las fibras
de refuerzo pueden variar entre sintéticas por
ejemplo el Kevlar o Twaron (8), o fibras naturales
provenientes de biomasas fibrosas que mejoran
las propiedades principalmente de flexión a los
composites con polipropileno reciclado (7,9). Sin
embargo el principal problema de la adición de
PET a la matriz de PP es la inmiscibilidad de sus
estructuras, razón por lo cual es importante la
disminución de la tensión superficial entre los
polímeros mediante el uso de un agente acoplan-
te que disminuya la tensión superficial entre las
fibras y la matriz consiguiendo su incorporación
(10,11).
El presente estudio analiza dos metodologías de
reciclaje de polipropileno: refuerzo con fibra na-
tural y refuerzo con PET reciclado en los que se
usa agente acoplante no convencional denomina-
do anhídrido tereftálico para mejorar la interfaz
entre el lado apolar de los refuerzos y el lado po-
lar de la matriz de PP. Adicional se prueba con
el mejoramiento de sus propiedades mediante
tratamiento térmico como técnica adicional a las
convencionales, utilizando plásticos post consu-
mo.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Para la obtención de las probetas de PP se usa
una extrusora tipo husillo de 4983 mm de largo
con un tornillo de diámetro de 50,9 mm y de 9
filetes a lo largo de este, calentado por tres re-
sistencias eléctricas las cuales se controlan con 4
termocuplas en las diferentes zonas.
A la salida de la boquilla se enfría con un baño
de agua y un posterior prensado para moldeo a
presión de 3500 psi. Adicional cuenta con un va-
riador de frecuencia para el control de las revo-
luciones de giro. Obteniendo probetas tipo A que
están elaboradas con PP reciclado y tipo B com-
posites de PET y fibra vegetal con y sin acoplante,
como se muestra en las figuras 1 y 2, en donde se
representa las diferentes longitudes de la probeta
con l, el ancho de la probeta en la zona de prueba
como b1 y h como el espesor de la probeta.
Figura 1. Molde de probeta Tipo B para plástico reforzado con bra vegetal.
21
Figura 2. Probeta tipo A para ensayos de tracción en plástico en compo-
sites.
Fuente: Norma International ISO 527-2:2012. Plastics -- Determination of
tensile properties -- Part 2: Test conditions for mounding and extrusion
plastics.
Para el refuerzo con fibra natural, se trabajó con
fibra de Abacá (Musa textiles) o también llamado
cáñamo de manila y con fibra de Plátano (Musa
AAB) proveniente del pseudotallo, variando los
porcentajes en el rango de 10 a 30% de fibra.
Mientras que para el tratamiento térmico me-
diante la temperatura de transición vítrea del PP
reciclado se calculó la temperatura de recocido,
teniendo la precaución de que la estabilidad di-
mensional de la pieza se preserve y que al mismo
tiempo no aparezcan fenómenos de degradación
térmica (12,13).
ELABORACIÓN DEL MATERIAL COM-
PUESTO CON FIBRA VEGETAL
El abacá y el plátano pertenecen a la familia de
las musáceas y poseen propiedades en común,
razón por la cual se somete al mismo tratamien-
to ambos tipos de fibra. El cual consiste en una
separación de sus vainas mediante un desfibrado
manual, secado al sol y un posterior corte de la
fibra hasta un tamaño de 5 mm de largo apro-
ximadamente ya que con este tamaño de partí-
cula se consigue una distribución de fibra en la
matriz adecuada el momento de la extrusión. Las
proporciones en que se empleó las fibras son 10,
20 y 30 % de fibra, en tratamientos con 1% de
acoplante y sin acoplante.
Este método de procesamiento y preparación de
los composites aseguró una buena distribución
de fibra y una relación apropiada entre fibra y
matriz que otorgó las propiedades mecánicas es-
peradas. La orientación en paralelo de las fibras
asegura la homogeneidad en cuanto a distribu-
ción de sus componentes y de las propiedades
mecánicas resultantes. Sin embargo al usarse fi-
bras naturales que contiene lignocelulosa se debe
prestar atención en mantener la temperatura de
procesamiento relativamente baja (200ºC) para
evitar la descomposición de la fibra y la disminu-
ción de la resistencia de las fibras (8), razón por la
que se determinó las condiciones de temperatura
en las diferentes zonas y la velocidad de giro del
tornillo que permitan una extrusión adecuada.
Para ello se trabajó con tres variantes en las tem-
peraturas del tornillo, estimadas en el rango de
160 a 200 °C, datos sugeridos en estudios previos
similares al presente trabajo. Tomando en cuenta
como factor determinante la facilidad de trabajo
en el proceso de extrusión y el grado de fluidez
que toma el PP en conjunto con la fibra sin que-
marse para obtener las probetas en las cuales se
realizará las pruebas físico mecánicas.
El tornillo extrusor fue operado a una tempera-
tura promedio de 185 °C en la zona de dosifica-
ción, en la zona de transición y compresión a una
temperatura promedio de 175 °C y en la zona de
alimentación a una temperatura promedio de
162 °C, variando la velocidad del tornillo entre
80 a 500 rpm en rangos de 50 hasta conseguir
una presión de extrusión adecuada para cada tra-
tamiento(14).
ELABORACIÓN DEL MATERIAL COM-
PUESTO CON PET
Para la preparación de las mezclas con PET se
plantea un tratamiento variando 5, 10, 20 y 30
% de PET, acorde a lo expuesto por (15,16) y un
segundo tratamiento con una concentración al 1,
3 y 5 % de anhídrido ftálico en polvo dentro de
cada mezcla y sin acoplante.
De forma similar el perfil de temperatura para el
composite con PET se definió en base a los pun-
tos de fusión del polipropileno, polietileno tere-
ftalato y el compatibilizador (anhídrido ftálico).
El tornillo extrusor fue operado a una tempera-
tura promedio de 190 °C en la zona de dosifica-
ción, transición y compresión y en la zona de ali-
mentación a una temperatura promedio de 155
°C (10,15).
Palmay, Sanipatin, Poalacin, Donoso
22
TRATAMIENTO TÉRMICO DE POLIPROPI-
LENO RECICLADO
Se trabajó con dos temperaturas de recocido 125
y 135 ºC, que se determinaron a partir de la tem-
peratura de transición vítrea variando el tiempo
de recocido de las probetas. La temperatura de la
boquilla fue de 160 ºC.
III. RESULTADOS
PROPIEDADES FÍSICAS POLIPROPILENO Y
POLIETILENO TEREFTALATO
Las muestras se denominan como B1, B2, B3 y
B4 que corresponden a las composiciones de
PET añadido en la matriz de PP, al 5, 10, 20 y
30 % de PET respectivamente. Mientras que se
denominan como C1, C2 y C3 las probetas que
corresponden a las composiciones de acoplante
añadido en la matriz de PP/PET, al 1, 2, 3 % de
PET respectivamente.
ENSAYO DE TRACCIÓN
Figura 3. Esfuerzo vs deformación mezclas PP y PET sin acoplante.
En la Figura 3 y 4. se presenta las curvas de resis-
tencia a los esfuerzos de tracción, para refuerzo
tanto con fibra como con PET reciclado con y sin
acoplante, donde se puede ver que las de tipo C
presentan un mayor esfuerzo máximo esto de-
bido a que el acoplante fortalece el composite al
ayudar en la interfaz entre el PP y el PET y au-
menta su resistencia consiguiendo valores cerca-
nos a los 20 MPa (14,17).
En cuanto a la figura 3 donde se presenta los
composites sin acoplante se puede observar que
la mezcla que da mejores propiedades en este en-
sayo es la correspondiente a la mezcla de 10% PET
y 90%PP; mientras que en la figura 4 se puede
observar que las probetas con acoplante presenta
mayor resistencia con la composición de 5% PET
y 95%PP, lo que quiere decir que cuando añadi-
mos acoplante cambia el comportamiento a trac-
ción de las mezclas, el PP mejora las propiedades
de la mezcla por el fortalecimiento de la matriz
debido al entrecruzamiento de los componentes
en la estructura gracias a los puntos de anclaje
que proporciona el agente acoplante llegando a
una saturación máxima luego de una cantidad
determinada de PET en este caso el 10% (18–20).
Figura 4. Esfuerzo vs Deformación mezclas PP y PET con acoplante.
ENSAYO DE FLEXIÓN
MEZCLAS EXTRUIDAS
B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3
Modulo
Aparente de
Elasticidad
[MPa]
1708,5 1708,5 1708,5 1708,5 1750,4 1184,6 2908,9
Esfuerzo
en la rotura
[MPa]
30,1 24,9 31,1 33,7 33,3 32,2 32,0
Tabla 1. Resultados del ensayo de exión de las mezclas extruidas.
Como se presenta en la tabla 1, la presencia de
mayor cantidad de PET conjugado con la pre-
sencia de agente acoplante que permite la mejor
distribución del refuerzo en la matriz de PP me-
jora la propiedad de flexión esto debido a las ca-
racterísticas en si del PET y que se incorporan al
composite(6,21).
23
PROPIEDADES FÍSICAS POLIPROPILENO Y
FIBRA DE ABACÁ
A B C D E F G H I
PP ABACÁ PLÁTANO
10% 20% 10% 20%
s/a c/a s/a c/a s/a c/a s/a c/a
Tabla 2. Nomenclatura para las muestras empleadas.
s/a: sin acoplante
c/a con acoplante
ENSAYO DE TRACCIÓN
Figura 5. Resultados del ensayo de Tracción PP-Fibra.
De la figura 5 se puede observar que cuando te-
nemos una mezcla de 10 % de Abacá y 90 % de
polipropileno el material compuesto presenta
mayor deformación, debido a que las fibras tie-
nen un comportamiento frágil al esfuerzo, pero
una matriz dúctil (5,22).
ENSAYO DE FLEXIÓN
Pruebas Unidad B C D E
Módulo de elasti-
cidad
MPa 1119,81 2005,84 677,47 1767,37
Esfuerzo de Rotura MPa 16,30 41,39 21,54 29,55
Flecha en la rotura mm 24,56 14,52 7,77 8,60
A partir de la Tabla 2. se puede observar que
cuando se trabaja con una mezcla de 10 % de
Abacá y 90 % de polipropileno (C) el material
compuesto alcanza su mayor flexibilidad, ya
que la fibra es altamente flexible y combina estas
propiedades con las de la matriz obteniendo un
material que en un gran porcentaje aumenta su
flexibilidad(23).
PROPIEDADES FÍSICAS POLIPROPILENO Y
FIBRA DE PLÁTANO
ENSAYO DE TRACCIÓN
Figura 6. Resultados del ensayo de Tracción en mezcla PP-Fibra.
De la figura 6 se puede observar que cuando te-
nemos una mezcla (F) de 10 % de fibra de plátano
y 90 % de polipropileno el material compuesto
alcanza su mayor ductilidad, mejorando la duc-
tilidad que presenta la matriz esto debido a que
el material combina las propiedades de la matriz
con la fibra.
ENSAYO DE FLEXIÓN
En cuanto a la propiedad de flexión de las mues-
tras ensayadas se tiene que la mezcla de 10 % de
fibra de plátano y 90 % de polipropileno el ma-
terial compuesto alcanza su mayor flexibilidad,
ya que la fibra es altamente flexible y combina
estas propiedades con las de la matriz obteniendo
un material que en un gran porcentaje aumen-
ta su flexibilidad. Tanto del material compuesto
con fibra de abacá y fibra de plátano podemos
observar que las mejores propiedades se obtienen
cuando tenemos un 10% de fibra y 90% de matriz
(5,16,21).
PROPIEDADES FÍSICAS CON TRATAMIEN-
TO TÉRMICO
Realizadas las pruebas mecánicas a las probe-
tas con recocido se muestra que la temperatura
de 135 ºC presenta buenos resultados mediante
ambos enfriamientos con agua y con aire. Sin
embargo, el enfriamiento con agua presenta una
Palmay, Sanipatin, Poalacin, Donoso
24
pérdida del 54,4% en promedio del módulo de
elasticidad debido al que enfriamiento brusco
que genera matrices más rígidas (24,25). A pesar
de esto al haber sido tratada a la misma tempe-
ratura ambas muestras presentan una entalpia
de 55 y 56 J g-1 respectivamente, así como un
porcentaje de cristalización de 33 y 34 %, que
comparado con el 24 % medido a las muestras
iniciales de polipropileno reciclado presentan un
considerable mejoramiento por la disminución
de las zonas amorfas de la estructura.
IV. CONCLUSIONES
Las curvas de esfuerzo respecto a la deformación
para el material compuesto desarrollado, en ge-
neral presentan un comportamiento frágil ante
la tensión, pero dúctil por su matriz polimérica;
lo que está relacionado con una posible alinea-
ción longitudinal de las fibras en los casos en que
se presenta mayor proporción de estas. Eviden-
ciándose el mejoramiento de las propiedades del
polipropileno reciclado al añadir un composite
sea PET o sea fibra vegetal. Aumentando esta
tendencia el momento de la adición de acoplante
ya que genera una mejor distribución de las fi-
bras
Al realizar las diferentes pruebas mecánicas
como son resistencia a la tracción, flexión y
compresión a las probetas de PP reciclado y las
injertadas con fibra obtenidos por extrusión, es
notoria la incidencia de la fibra en los resultados
en comparación al PP, en los ensayos de resisten-
cia a la tracción mejora el esfuerzo de fluencia un
22% al trabajar con fibra de abacá con y sin aco-
plante, ensayos de flexión mejoran únicamente
las propiedades al trabajar con 20% de fibra y uso
de acoplante, mejorando las propiedades físicas
y mecánicas de las probetas en forma general al
trabajar con fibra de abacá y agente acoplante,
esto debido a que el anhídrido ftálico promueve
la adhesión entre la matriz de PP y cargas inorgá-
nicas mediante la formación de enlaces químicos
estables entre la matriz orgánica y la superficie
de la carga.
En cuanto, al tratamiento térmico realizado al
polipropileno , mejora las propiedades de crista-
linidad del PP debido a su re estructuración con
la temperatura generando mayor dureza pero
menor resistencia a la flexión.
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