ES2358694B2 - Composite para la fabricación de elementos estructurales a base de polímeros termoplásticos procedentes de materiales reciclados. - Google Patents
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Abstract
Composite para la fabricación de elementos
estructurales a base de polímeros termoplásticos procedentes de
materiales reciclados.
La presente invención se refiere a un nuevo
composite para la fabricación de elementos estructurales
caracterizado por comprender al menos dos polímeros termoplásticos
procedentes de materiales reciclados y al menos una carga
seleccionada entre cargas minerales y fibras de refuerzo, o
cualquier combinación de las mismas.
Será asimismo un segundo objeto de esta
invención un elemento estructural caracterizado por comprender dicho
composite, así como el método de fabricación del mismo.
Description
Composite para la fabricación de elementos
estructurales a base de polímeros termoplásticos procedentes de
materiales reciclados.
La presente invención pertenece al campo de los
composites y, más en particular, al desarrollo de composites
especialmente adecuados para la fabricación de palets y otros
elementos estructurales o artículos de gran rigidez estructural.
Actualmente, en el mercado, existe una gran
variedad de palets para su uso en el almacenamiento y transporte de
cargas. Tradicionalmente, la fabricación de palets se ha llevado a
cabo a partir de madera. Sin embargo, este material, si bien ofrece
ciertas ventajas, presenta el inconveniente de no estar autorizado
para el transporte y almacenamiento de productos alimentarios, así
como para el transporte destinado a la exportación, sin haber sido
sometido a un proceso previo de desinfección.
Debido a estos inconvenientes, en los últimos
años se ha favorecido el desarrollo de nuevos materiales, entre los
que cabe destacar los plásticos. Entre los materiales plásticos más
utilizados se encuentra el polipropileno (PP), aunque también son
frecuentes las mezclas de polietilenteraftalato (PET) con
polietileno (PE) de alta densidad. Estos polímeros ofrecen la
posibilidad de ser reciclados, pudiendo proceder de diferentes
fuentes como, por ejemplo, carcasas de baterías o parachoques de
vehículos automóviles.
Con el fin de conseguir la suficiente rigidez en
los productos finales, los polímeros citados suelen reforzarse con
porcentajes importantes de aditivos minerales en forma de polvo
como, por ejemplo, el carbonato cálcico o el talco. Estas
formulaciones consiguen módulos elásticos del orden de 1 a 1,5 GPa,
obteniéndose palets adecuados únicamente para soportar cargas
livianas almacenadas en estanterías con apoyo en ambos extremos
puesto que, en caso de tratarse de cargas de mayor peso, las grandes
flechas a las que se verían sometidos los palets podrían poner en
peligro su estabilidad.
De este modo, si bien se han desarrollado nuevos
materiales capaces de incrementar la rigidez de los materiales
plásticos mediante el empleo, entre otros, de polímeros de una mayor
rigidez como, por ejemplo, el PET, estos materiales sin embargo
adolecen, en general, de una gran fragilidad al impacto.
Es, por tanto, objeto de esta invención,
presentar un nuevo composite especialmente adecuado para su
utilización en palets y otros elementos estructurales o artículos de
gran rigidez estructural. Este nuevo composite presenta importantes
ventajas frente a otros materiales similares del estado de la
técnica entre las que cabe mencionar, por ejemplo, su reducido
coste, así como su elevada rigidez y resistencia al impacto, lo que
permite desarrollar palets y otros artículos capaces de soportar
cargas en estantería de hasta 2000 kg/m^{2}, cumpliendo con lo
establecido en la norma ISO 8611.
La presente invención se refiere por tanto a un
nuevo composite para la fabricación de elementos estructurales
caracterizado por comprender al menos dos polímeros termoplásticos
procedentes de materiales reciclados y al menos una carga
seleccionada entre cargas minerales y fibras de refuerzo, o
cualquier combinación de las mismas.
De manera preferida, los polímeros
termoplásticos serán seleccionados entre polietileno de alta
densidad y polietileno de baja densidad, así como cualquiera de sus
combinaciones.
Preferentemente, el polietileno de baja densidad
en el composite se encontrará comprendido entre un 30 y un 70%, y
más preferentemente, entre un 50 y un 60% del peso total, y
procederá de manera preferida de residuos urbanos, más
preferiblemente, de envases TetraPak.
Por su parte, el polietileno de alta densidad se
encontrará comprendido en el composite, preferentemente, entre un 10
y un 50% y, más preferentemente, entre un 15 y un 30% de su peso
total. En este caso, el polietileno de alta densidad procederá, de
manera preferida, de residuos reciclados como, por ejemplo, residuos
urbanos de botellas y tapones.
Los porcentajes respecto a los polímeros
termoplásticos anteriormente señalados corresponden a la proporción
sinérgica adecuada para que, una vez dichos polímeros sean
combinados, cristalicen en forma de redes interpenetrables, logrando
así maximizar la rigidez de la mezcla final obtenida. De este modo,
es posible conseguir composites con la resistencia y rigidez
adecuadas, una vez añadidas las cargas también presentes en su
formulación.
Dentro de estas cargas, las cargas minerales
consistirán, de manera preferida, en cargas seleccionadas de entre
las habitualmente utilizadas en el procesado de plásticos. De este
modo, dichas cargas serán seleccionadas, preferentemente, de un
grupo que consiste en, al menos, carbonato cálcico, talco, arcillas
y partículas metálicas, preferentemente, aluminio, así como
cualquier combinación de las anteriores. De manera más preferida,
dichas cargas serán seleccionadas de un grupo que consiste en
residuos de serrín de madera y residuos de naturaleza mineral y de
polímeros termoestables finamente divididos, así como cualquier
combinación de los anteriores. Entre el grupo anterior cabe citar,
por ejemplo, las cenizas de combustión o el polvo de lijado de
composites termoestables como las resinas epoxi o poliéster.
Por otra parte, las fibras de refuerzo son
seleccionadas, preferentemente, de un grupo que consiste en fibras
de vidrio, carbono, aramida, boro y basalto, o cualquier combinación
de las anteriores. Adicionalmente, cualquier fibra conocida que
presente un módulo elástico superior a 40 GPa podrá ser asimismo
utilizada. De manera preferida, estas fibras procederán de residuos
de producción o reciclado de materiales composites o de productos
postconsumo.
El porcentaje de las cargas añadidas en el
material final estará comprendido, preferentemente, entre un 10 y un
50% y, más preferentemente, entre un 20 y un 40% del peso final.
Asimismo, en una realización preferente de la
invención, dicho composite podrá asimismo comprender otros
polímeros, preferentemente, polímeros de adhesión o agentes
compatibilizantes capaces de mejorar, en la proporción adecuada, la
adhesión entre los polímeros termoplásticos y las cargas. De manera
preferida, dicho polímero de adhesión será seleccionado entre los
polímeros de adhesión ampliamente conocidos y existentes en el
mercado. Preferente, dicho polímero de adhesión será seleccionado de
un grupo que consiste en polímeros de polietileno y polipropileno
que contienen grupos polares de injerto; copolímeros de etileno y
ácido acrílico o metacrílico; copolímeros de etileno y acrilatos o
acetatos; derivados del metacrilato de glicidilo y copolímeros de
estireno-etileno-butadieno-estireno
(SEBS) que contienen grupos polares de injerto, así como cualquier
combinación de los anteriores. Respecto a los grupos polares de
injerto, dichos grupos consistirán, de manera más preferida, en
ácido acrílico o anhídrido
maleico.
maleico.
En una realización preferida de la invención,
los polímeros termoplásticos de baja densidad procederán,
preferentemente, de residuos de envases TetraPak o similares,
conformados por 75% de cartón, 20% de polietileno de baja densidad y
5% aluminio, de manera que, una vez extraído el cartón, sea posible
conseguir una mezcla de, aproximadamente, 80% polietileno de baja
densidad y 20% de aluminio. De manera particular, también podrán ser
utilizados films agrícolas de polietileno de baja densidad. En este
caso, las cargas minerales consistirán, preferentemente, en
carbonato cálcico o talco; cenizas de combustiones procedentes de
procesos industriales o de producción de energía a partir de
combustibles sólidos; así como polvo de lijado procedente de
procesos industriales como la fabricación de composites de resinas
epoxi o poliéster, entre otras posibilidades.
Respecto al polietileno de alta densidad, éste
procederá, preferentemente, de residuos postconsumo de botellas
sopladas.
En una realización especialmente preferida de la
invención, el composite se caracterizará por comprender 48% de
polietileno de baja densidad, 29% de polietileno de alta densidad,
20% de fibra de vidrio y 3% de polímero de adhesión.
Será asimismo un segundo objeto de esta
invención un palet caracterizado por comprender en su formulación el
nuevo composite anteriormente descrito. De manera adicional, será
objeto de protección cualquier otro elemento estructural o articulo
caracterizado por presentar una gran rigidez estructural,
preferentemente seleccionado, aunque de manera no limitante, de un
grupo que consiste en marcos estructurales de mobiliario, vallas de
protección, elementos de mobiliario urbano como, por ejemplo,
bancos, vallas de obra y vallas urbanas, perchas colgadoras de ropa,
secadores de ropa de interior, recogedores de polvo, mangos para
útiles domésticos y elementos de señalización vial, entre otras
posibilidades.
Asimismo, será un objeto adicional de la
invención el método de fabricación de los composites anteriormente
descritos, método que se caracteriza por comprender las siguientes
etapas:
- a)
- una primera etapa de amasado en caliente de los componentes del composite, dando lugar a una primera masa de mezcla;
- b)
- la inyección secuenciada de dicha primera masa de mezcla en un molde, orientando las fibras de refuerzo en dirección perpendicular al mayor esfuerzo de carga en el producto final.
De esta manera, es posible obtener composites
adecuados para la fabricación de palets u otros artículos de gran
rigidez estructural caracterizados por presentar módulos elásticos
superiores a 3Gpa, lo que supone más del doble de la rigidez de los
palets existentes en el mercado.
En una realización preferida de la invención, el
método anterior comprenderá a su vez una etapa inicial, previa a la
etapa de amasado, de pretratamiento de las materias primas. Esta
etapa de pretratamiento podrá comprender, a su vez, la trituración y
limpieza de los polímeros termoplásticos.
De manera preferida, la trituración de los
polímeros termoplásticos se llevará a cabo mediante el uso de
molinos adecuados para este tipo de materiales. Asimismo, la
limpieza se realizará, preferentemente, mediante las tecnologías ya
conocidas de lavado y secado o de limpieza en seco con corrientes de
aire.
A su vez, en caso de que las fibras de refuerzo
se presentan en forma de retales, esta etapa de pretratamiento
comprenderá el corte de los mismos hasta alcanzar una medida,
preferentemente, de 10 mm a 20 mm, para que posteriormente puedan
alimentarse, mediante dosificación continua, a la extrusora. Por su
parte, en caso de que procedan de composites resinados, el
pretratamiento comprenderá la molienda de dichos composites hasta su
desfibrilación, quedando la resina en forma de polvo y las fibras
con un tamaño que varia, preferentemente, entre 1 mm y 10 mm. No
obstante, de manera preferida, el composite será utilizado
conjuntamente, sin necesidad de llevar a cabo una etapa de
separación previa de sus dos componentes.
La etapa de amasado se lleva a cabo, de manera
preferente, por amasado en estado fundido mediante equipos conocidos
comercialmente provistos de extrusores de dos tornillos,
co-rotantes o no, no estando no obstante limitados a
dicha posibilidad. Entre estos equipos cabe mencionar, por ejemplo,
los amasadores en continuo como el CIM de Japan Steel Works, Ltd. o
el FCM de Farrell Corp. Otros posibles equipos adecuados para llevar
a cabo esta etapa son, por ejemplo, los equipos de extrusión de
doble husillo como el ZSK de Coperion Werner Pfleiderer GMBH &
Co. y el TEX de Japan Steel Works Ltd.
En una realización preferida adicional, podrán
asimismo utilizarse equipos que comprendan un extrusor de husillo
único a continuación de un equipo de mezcla intensiva o amasado que
realice las operaciones de amasado y extrusión. Este equipo
comprenderá, de manera preferente, husillos
co-rotantes, preferentemente, con extracción de
gases intermedia por bomba de vacío.
En una realización particular en la que se
utilicen residuos de TetraPak o similares, la extrusión se efectuará
a temperaturas por debajo de los 190ºC con el fin de evitar que la
descomposición de celulosa presente entre los residuos de polímeros
o en las cargas de refuerzo genere gases que puedan afectar a la
estructura del compuesto final.
La masa resultante de la etapa de amasado puede
enfriarse y cortarse en granza para luego alimentar una máquina de
inyección convencional o, preferiblemente, puede ser introducida en
estado fundido directamente en el pistón de la máquina de
inyección.
Es importante que tanto la placa caliente como
el molde se encuentren preparados para efectuar una inyección
secuencial de manera que permita orientar las fibras de refuerzo en
dirección perpendicular al esfuerzo de carga del producto final.
Del mismo modo que en la etapa anterior, en una
realización particular en la que se utilicen residuos de TetraPak o
similares, es importante que no se generen en ningún punto de la
inyección temperaturas superiores a los 190ºC que degraden la
celulosa presente entre los residuos de polímeros, dando lugar a
gases que puedan alterar la estructura del producto final. De este
modo, tanto las puertas como los canales de inyección tendrán,
preferentemente, diámetros internos lo suficientemente amplios para
evitar que se generen incrementos de temperatura por encima de 190ºC
debido al rozamiento.
A continuación se presentan, a modo de
ilustración, una serie de ejemplos con carácter no limitante, con
objeto de lograr un mejor entendimiento de la invención.
Ejemplo
1
En este primer ejemplo, se procedió a preparar
el composite objeto de la invención a partir de residuo de 55%
TetraPak (PE 80% y aluminio 20%); 23% de PE de alta densidad; 19% de
fibra de vidrio y 3% de un agente compatibilizante (Licocene® PMA)
de Clariant International Ltd 4351, estando los porcentajes
expresados en porcentaje en peso respecto al total. Una vez amasada
la mezcla de los componentes anteriores, la misma fue inyectada
dando lugar a medio palet, de dimensiones 80x60 cm.
A continuación, se procedió a determinar la
rigidez y resistencia al impacto según la norma ISO 8611 de dicho
palet, obteniéndose los siguientes resultados:
- \bullet
- Ensayo 1.- Resistencia a la flexión en compresómetro de plato fijo: 1000 kg.
- \bullet
- Ensayo 7.- Flecha máxima en estantería con una carga de 500 kg a 23ºC: 7 mm.
- \bullet
- Ensayo 7 a 40ºC: 8 mm.
- \bullet
- Ensayo 8.- Resistencia a la flexión de los patines: 1800 Kg.
- \bullet
- Ensayo 13.- Resistencia al impacto: aceleración de rotura 5 g.
Ejemplo
2
En este segundo ejemplo, se procedió a preparar
el composite objeto de la invención a partir de residuo de 50%
TetraPak (PE 80% y aluminio 20%); 18% de PE de alta densidad; 29% de
fibra de vidrio y 3% de un agente compatibilizante (Licocene® PMA)
de Clariant International Ltd 4351, estando los porcentajes
expresados en porcentaje en peso respecto al total. Una vez amasada
la mezcla de los componentes anteriores, la misma fue inyectada
dando lugar a medio palet, de dimensiones 80x60 cm.
Una vez obtenido el material, se procedió a
determinar su rigidez y resistencia al impacto, según la norma ISO
8611, obteniéndose los siguientes resultados:
- \bullet
- Ensayo 1.- Resistencia a la flexión en compresómetro de plato fijo: 1200 kg
- \bullet
- Ensayo 7.- Flecha máxima en estantería con una carga de 500 kg a 23ºC: 4 mm
- \bullet
- Ensayo 7 a 40ºC: 6 mm
- \bullet
- Ensayo 8.- Resistencia a la flexión de los patines: 2000 Kg
- \bullet
- Ensayo 13.- Resistencia al impacto: aceleración de rotura 4 g.
Los resultados obtenidos tanto en el ejemplo 1
como en el ejemplo 2 demuestras la gran rigidez estructural de los
productos obtenidos a partir del composite objeto de la invención al
equivaler a, aproximadamente, el doble en rigidez y carga máxima y a
una vez y media en resistencia al impacto respecto a los productos
presentes en el mercado generalmente fabricados en base a
polipropileno o polietileno de alta densidad con cargas de carbonato
cálcico.
Claims (14)
1. Método para la fabricación de un composite
para la fabricación de elementos estructurales, caracterizado
por que comprende las siguientes etapas:
- a)
- una primera etapa de amasado en caliente de al menos dos polímeros termoplásticos procedentes de materiales reciclados y al menos una carga seleccionada entre cargas minerales y fibras de refuerzo, o cualquier combinación de las mismas, donde dichos polímeros termoplásticos consisten en polietileno de alta densidad en un porcentaje comprendido entre un 10 y un 50% del peso total del composite y polietileno de baja densidad en un porcentaje comprendido entre un 30 y un 70% en peso del composite, obteniéndose una primera masa de mezcla de los componentes del composite;
- b)
- la inyección secuenciada de dicha primera masa de mezcla en un molde, orientando las fibras de refuerzo en dirección perpendicular al mayor esfuerzo de carga del producto final.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método, de acuerdo a la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende una etapa adicional de
pretratamiento, previa a la etapa (a) , que comprende la trituración
y limpieza de los polímeros termoplásticos.
3. Método, de acuerdo a la reivindicación 1 o 2
donde, cuando los componentes del composite comprenden celulosa en
su composición, dicho método se efectúa a temperaturas inferiores a
190ºC.
4. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde el polietileno de baja densidad
procede de residuos de envase TetraPak.
5. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde el polietileno de alta densidad
procede de residuos urbanos de botellas y tapones.
6. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde las cargas minerales son
seleccionadas de un grupo que consiste, al menos, en carbonato
cálcico, talco, arcillas y partículas metálicas, así como cualquier
combinación de las anteriores.
7. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde las cargas minerales son
seleccionadas de un grupo que consiste en residuos de serrín de
madera, residuos de naturaleza mineral y residuos de polímeros
termoestables, así como cualquier combinación de los anteriores.
8. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde las fibras de refuerzo son
seleccionadas de un grupo que consiste en fibras de vidrio, carbono,
boro, aramida y basalto, así como cualquier combinación de las
anteriores.
9. Método, de acuerdo a la reivindicación 8,
donde dichas fibras de refuerzo proceden de residuos industriales de
fabricación o reciclado de materiales composites.
10. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde el porcentaje de las cargas se
encuentra comprendido entre un 10 y un 50% del peso final del
composite.
11. Método, de acuerdo a una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde los componentes del composite
comprenden además al menos un polímero adhesivo.
12. Composite obtenible a partir de un método de
acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Uso de un composite, de acuerdo a la
reivindicación 12 para la fabricación de un elemento
estructural.
14. Uso de un composite para la fabricación de
un elemento estructural, de acuerdo la reivindicación 13, donde
dicho elemento estructural es seleccionado de un grupo que consiste
en palets, marcos estructurales de mobiliario, vallas de protección,
elementos de mobiliario urbano, vallas de obra y vallas urbanas,
perchas colgadoras de ropa, secadores de ropa de interior,
recogedores de polvo, mangos para útiles domésticos y elementos de
señalización vial.
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| US4427818A (en) * | 1981-05-15 | 1984-01-24 | Prusinski Richard C | Thermoplastic polymer concrete structure and method |
| DE3837125A1 (de) * | 1988-11-02 | 1990-05-03 | Signode System Gmbh | Verfahren zur herstellung von formkoerpern aus metall und einem thermoplastischen kunststoff |
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