Diseño y construcción de un prototip=
o de
máquina recicladora de botellas plásticas PET
Eugenia Mercedes Naranjo Vargas., =
Javier
Renato Moyano Arévalo. & Carlos
José Santillán Mariño.
Introduction: For the recycling and reuse of PET plastic bottles, it is developed thro=
ugh a process called shredding, this activity allows reducing the volume oc=
cupied by the bottles in the recyclers, as well as facilitating their trans=
portation. The design of the prototype of a plastic bottle recycling machin=
e is based on the shear cutting activity carried out by the blades with a r=
otation of 10 rpm. Process that is achieved by the force of a 3 Hp engine a=
nd a chain drive. Additionally, it seeks to give a usability option to the =
machine by incorporating an extruder, which at a temperature of 20 ° C to =
30 ° C presents excellent operability. At the end of the extruder, a PET p=
lastic-based material is obtained that can be used in different shapes, coa=
tings or for shaping fibers. Methodology: For the development of thi=
s project, four phases are established. In the first phase, a field investi=
gation is carried out, identifying the problems presented by the collection=
centers for recycled bottles, and it is evident that the bottles occupy a =
large space in the place. In the second, an exploratory investigation is de=
veloped where scientific articles, magazines, books are analyzed, which wil=
l contribute to the knowledge of the materials that make up a plastic bottl=
e, as well as the mechanical properties that said material possesses. Re=
sults: In the cutting process in the first instance, the operating powe=
r is established, which will serve for a correct selection of the chain tra=
nsmission, the chain transmission fundamentally helps to suppress power los=
ses due to sliding at the time of shredding. . To obtain an adequate selection of the profile of =
the crushing blade, it is a priority to obtain the necessary working power =
that allows the activity to be carried out correctly, for what is considere=
d a granulometry of 60 〖<=
/span>mm〗<=
/span> ^ 2 area. Conclusions. The transmission must be by chain or by g=
ears to eliminate the loss of power due to sliding in the driving parts. In=
the crushing and extrusion stages, the volume is reduced by 56%, which all=
ows an easy transfer of material to the different collection centers. To ob=
tain a final recycled PET material with excellent mechanical and chemical p=
roperties, a correct temperature must be established, ranging from 25 ° C =
to 30 ° C, after that temperature the plastic evaporates, resulting in gas=
pollution. The final product presents a porosity in its conformation and f=
ragility in its structure, which is why PET raw material should be added an=
d thus the mechanical and chemical properties will improve, obtaining a rec=
ycling option.
Keywords: Reuse of plastic bottle=
s,
Crushing Process, Extrusion
Resumen.
Introducción:
Para el reciclaje y reutilización de botellas plásticas PET, se desarroll=
a a
través de un proceso llamado trituración, esta actividad permite reducir =
el
volumen que ocupa las botellas en las recicladoras además facilita su
trasportación. El diseño del prototipo de máquina recicladora de botellas
plásticas se fundamenta mediante el corte por cizalla actividad que lo rea=
lizan
las cuchillas con una rotación de 10 rpm. Proceso que se logra por la fuer=
za de
un motor de 3 Hp y una trasmisión por cadena. Adicional se busca dar una o=
pción
de usabilidad a la máquina incorporando una extrusora, misma que a una tem=
peratura
de 20°C a 30°C presenta una excelente operatividad. Al final de la extrus=
ora se
obtiene material en base plástico PET que puede ser utilizado en distintos
conformados, recubrimientos o para la conformación de fibras. Metodologia.Para
el desarrollo del presente proyecto se establece cuatro fases. En la primera
fase se realiza una investigación de campo, identificando la problemática=
que
presentan los centros de acopio de botellas recicladas, y se evidencia que =
las
botellas ocupan un gran espacio en el lugar. En la segunda se desarrolla una
investigación exploratoria donde se analiza artículos científicos, revis=
tas,
libros, mismos que aportaran para el conocimiento de los materiales que
conforman una botella plástica, así como también propiedades mecánicas =
que
posee dicho material. Resultados=
.En
el proceso de corte en primera instancia se establece la potencia de
funcionamiento, misma que servirá para una correcta selección de la trasm=
isión
por cadena, la trasmisión por cadena ayuda fundamentalmente a suprimir las
pérdidas de potencia por deslizamiento al momento de realizar la trituraci=
ón. Para
obtener una selección adecuada del perfil de la cuchilla de trituración es
prioritario obtener la potencia necesaria de trabajo que permita realizar
correctamente la actividad, para lo que se considera una granulometría de =
60
de área. Conclusiones.
La trasmisión debe se=
r por
cadena o por engranes para eliminar la perdida de potencia por deslizamient=
o en
las partes motrices. En las etapas de trituración y extrusión se reduce u=
n 56%
el volumen lo que permite un fácil traslado de material a los distintos ce=
ntros
de acopio. Para obtener un material PET reciclado final con excelentes
propiedades mecánicas y químicas se debe establecer una correcta temperat=
ura que
oscila entre los 25°C a 30 °C, luego de esa temperatura el plástico se e=
vapora
por lo que se produce una contaminación por gases. El producto final prese=
nta
una porosidad en su conformación y fragilidad en su estructura por lo que =
se
debería añadir materia prima de PET y así mejorará las propiedades mec=
nicas y
químicas obteniendo una opción de reciclaje.
Palabras claves:
Reutilización de botellas plásticas, Proceso de Trituración, Extrusión
Introducción.
En los últimos años se habla de la gran
contaminación a nivel mundial por lo que varios países han adoptado varias
políticas para conservar el medio ambiente. Vivimos en un mundo rodeados de
plástico, material que es de uso común entre todas las personas que habit=
amos
el planeta tierra por su resistencia, ligereza y su bajo costo de producci=
n(LIBERA, 20=
18).
La utilización de plástico sigue en aument=
o y la
producción mundial ha sobrepasado de 2,3 millones de toneladas en 1950 a 4=
07
millones en el 2015. Un estudio estima que el plástico utilizado por el ser
humano durante todo este tiempo el 79%, está acumulado en vertederos o en
entornos naturales (Jambeck, 2=
015).
La acumulación de plásticos en entornos
naturales es una gran problemática para el medio ambiente. Estos materiale=
s por
su composición presentan una fácil dispersión y combinado con su alta
resistencia a la biodegradación, terminan siendo una amenaza para las espe=
cies
y sus habitas del planeta, ya sea que se encuentren en zonas terrestres o e=
n el
océano. Se estima que en el océano existe entre 5 y 50 billones de micro
pasticos lo cual representa un alto riesgo para nuestro ecosistemaADDIN CSL_CITATION
{"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemDa=
ta":{"author":[{"dropping-particle":"",&=
quot;family":"Sherman","given":"Peter",&=
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quot;,"family":"Sebille","given":"Erik&q=
uot;,"non-dropping-particle":"","parse-names"=
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"issued":{"date-parts":[["2015"]]},"publ=
isher":"IOP
Publishing","title":"A global inventory of small floati=
ng
plastic debris pollution","type":"article-journal"=
},"uris":["http://www.mendeley.com/documents/?uuid=3Dd5b27f0=
0-d6c4-4477-9841-1aef83cf8000"]}],"mendeley":{"formatte=
dCitation":"(Sherman
& Sebille, 2015)","plainTextFormattedCitation":"(Sh=
erman
& Sebille, 2015)","previouslyFormattedCitation":"(S=
herman
& Sebille,
2015)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema&=
quot;:"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/cs=
l-citation.json"}(Sherman &a=
mp;
Sebille, 2015).
El PET es un material plástico con un alto
contenido de cristalinidad, que puede ser procesado a través de extrusión,
inyección, soplado, termoconformado entre otro=
s(Jaramillo,=
2014). este polímero es el que se utiliza para la
elaboración de las botellas plásticas que normalmente son las que contami=
nan en
ríos, mares y zonas verdes de nuestro planeta, ya que su tiempo de degrada=
ción
es aproximadamente 1000 años(Gaona &
Yadira, 2017).
El uso masivo de las botellas plásticas no
retornables en el Ecuador, ha convertido en una problemática de contaminac=
ión
para todos los entornos naturales (Andrade, 2=
016). El motivo por que se utiliza estos materia=
les
es por su bajo costo de fabricación en comparación a otros tipos de envas=
es,
donde su uso está ligado con la explotación de recursos no renovables(Segura, 20=
07)
Varias alternativas se han planteado para
reducir la contaminación mundial por plásticos; Es por eso que el Estado
Ecuatoriano como ente regulador para la gestión eficiente de los recursos
naturales(Coello, 20=
06), con la finalidad de preservar los mismos ,
estableció un impuesto Redimible a las botellas plásticas (IRBP), el mism=
o que
ha ocasionado un impacto favorable en la ciudadanía (Jessica Or=
tega,
2013).
&nb=
sp;
El Ecuador al imponer un gravamen de dos
centavos de dólar americanos por unidad de recipiente, monto que es devuel=
to en
su totalidad a la persona quién lo recolecte, entregue y retorne las botel=
las(SRI, 2012)=
. Con esta normativa tributaria se fundament=
a el
principio de “quien contamina paga” generando una corresponsabilidad al
productor, empresario privado y exigiendo al emprendedor de la industria de
reciclaje (Valencia, =
2018).
La política establecida por el Ecuador ha
generado nuevas fuentes de trabajo basados en el reciclaje, y es donde este
proyecto pretende generar un aporte comercial a todas las personas que se
dedican a la recolección de botellas.
En este proyecto se desarrolla la fabricaci=
n de
una máquina que recicla y reutiliza botellas plásticas PET, basados en la
problemática del gran espacio que ocupa las botellas plásticas recicladas=
, la máquina
convertirá las botellas en una fibra de plástico o plástico líquido PET=
la
misma que será utilizada para la elaboración de diversos artículos.=
Al realizar el trabajo de campo en el que se aprecia la alta
contaminación producida por botellas plásticas PET. Además, que en los c=
entros
de acopio se maneja grandes bultos de plásticos para su transportación a =
las
industrias que procesan este material
Figura1. Empaquetamiento de botellas plásticas
Fuente: Autores
Análisis del proceso de corte
Para realizar =
un
prediseño adecuado de la máquina primero se analiza el proceso de corte o
triturado más adecuado. Los procesos de corte se basan en los metales(Separaci, 2009),
por lo que primero se analiza distintos tipos de corte para determinar el c=
orte
adecuado para plástico PET, entre los distintos procesos de corte destaca:=
=
El
corte por Seccionado es un proceso que
consiste en separar un material sin producir viruta. En la siguiente figura=
2
se observa que el corte por seccionado tiene lugar por la acción de una cu=
ña
que incide directamente sobre el material sometido a corte (Pelizzoni, 2013).
=
Figura
2: Seccionar y cortar por arranque de viruta.=
=
Fuente:
=
(Pelizzoni, 2013)=
Se menciona
también al corte por cizallado, que es un proceso mecánico que se caracte=
riza
por emplear dos cuchillas que se deslizan entre si determinando un sistema =
de
tijeras (cizalla); (ROS, 2015).
este sistema creemos que será efectivo parta el triturado de las botellas.=
En la Figura 3=
se
observa distintos tipos de corte. El corte por cincel se corresponde con el
“seccionado”, el corte por arranque de viruta es un corte por cuña y la
operación de cizalla que es un corte tipo tijera.
=
Figura
3: Cortes por cuña/cincel, cizalla y arranque de viruta=
.
=
Fuente:
=
(Pelizzoni, 2013)=
El proceso de
corte por arranque de viruta en metales ocurre cuando el filo de la herrami=
enta
ocasiona la deformación elástica de la parte de metal que se convertirá =
en
viruta (Nápoles & Salueña, 2000).
Durante este proceso de deformación se presentan en el material grandes
tensiones y cuando el material supera la tensión de fluencia, se da paso a=
la
separación de la capa debido a la deformación plástica.
=
Figura
4: (a) Geometría básica de herramienta de corte por ci=
zalla.
(b) Detalle de los distintos ángulos. Fuen=
te: =
(Pelizzoni, 2013)=
Análisis del materi=
al
Las botellas plásticas se encuentran fabricadas en base al polímero
termo plástico PET, que posee un alto grado de cristalinidad, y puede ser
procesado mediante extrusión, inyección y soplado(COGERSA, 2=
008). =
Las propiedades más relevantes que presenta el material son:
Alta
transparencia, aunque admite cargas de colorantes.
Alta resistenc=
ia
al desgaste y corrosión.
Muy buen coeficiente de deslizamiento. =
Buena resisten=
cia
química y térmica.
Reciclable, au=
nque
tiende a disminuir su viscosidad con la historia térmica.
Aprobado para =
su
uso en productos que deban estar en contacto con productos alimentarios.
Las propiedades físicas del PET y su c=
apacidad
para cumplir diversas especificaciones técnicas hacen que este material pu=
eda
ser utilizado en la producción de fibras textiles y a=
si
como también en la fabricación de una gran variedad de envases, especialm=
ente
en la producción de botellas, bandejas, flejes y láminas(ACOPLASTICOS, 2012).
Tabla 1. Propiedades Mecánicas del PET
|
PROPIEDADES MECÁN=
ICAS
|
<=
/span>
|
|
Coeficiente de
fricción
|
0.2 - 0.4
|
|
Dureza -Rockwell
|
M94 - 101
|
|
Resistencia a la
tracción (MPa)
|
190 - 160
|
|
Resistencia al imp=
acto
(Jm-1)
|
13 - 35=
|
Fuente: (Diego &
Mejía, 2010)
Tabla 2. Propiedades Térmicas
|
PROPIEDES TÉRMICA=
S
|
<=
/span>
|
|
Calor específico =
(KJ.
Kg-1. K-1)
|
1.2 -1.35
|
|
Coeficiente de
expansión Térmica (x10-6 k-1)
|
20 - 80=
|
|
Conductividad tér=
mica
(Wm-1 K-1)
|
0.15 – 0.4<=
/o:p>
|
|
Temperatura Máxim=
a de
utilización (°C)
|
115 - 170
|
|
Temperatura mínim=
a de
utilización (°C)
|
-40 a -60
|
Fuente: (Diego &
Mejía, 2010)
Predise=
o
&nb=
sp;
Para desarrollar el pre diseño se establece
construir un prototipo que sea versátil de fácil operación, que no ocupe=
mucho
espacio y que sea económicamente accesible para los recicladores de botell=
as.
La máquina pre diseñada y construida es de fácil instalación y consta d=
e tres
módulos las mismas que se detallan a continuación.
1. TOLVA
DE CAPTACIÓN DE BOTELLAS. - la misma que se instala con la finalidad de
precautelas la salud de los operarios y es por donde ingresan las botellas,
además cumple con el objetivo de que la materia prima no se dispersé,
Figura 5. Tolva de
recepción de botellas
Fuente:
Autores
<=
o:p>
2. ZONA DE TRITURACIÓN.- Es
la etapa principal donde el volumen de la botella al ser triturada, cumplir=
á el
objetivo de disminuir el volumen considerablemente. La trituración se la
realiza mediante un sistema de trasmisión por cadena, el sistema de trasm=
isión
será impulsado por un motor. Para que se realice la trituración se implem=
enta
cuchillas que giran produciendo un corte por cizallado obteniendo así un
material pet en pequeñas proporciones (tritura=
do).
Considerando las propiedades de las botellas como es los esfuerzos, densida=
d,
volumen entre otros.
Figura 6. Modelo de triturador
Fuente: Autores
3. ETAPA
EXTRUSIÓN.- la extracción como actividad final=
de la
máquina se implementa con la razón de obtener una máquina versátil, don=
de el
triturado se pueda reutilizar para conformar elementos en base de plástico=
PET.
El sistema para ser diseñado se debe considerar distintas variables, que s=
on
muy influyentes el momento de querer reutilizar el PET, se maneja variables
como las velocidades de avance, longitud del husillo, paso del husillo,
temperatura entre otras; estas variables deben ser calculadas y bien defin=
idas para
que el conformado de la fibra o del producto final cumpla con los
requerimientos. El calentamiento =
para el
prototipo se lo realiza por resistencias eléctricas.
&nb=
sp;
Figura 7.
Modelo de extrusor
Fuente: Autores
3.2 Ensamble de la máquina. - Para la construcción y ensamble de todos los elementos del prot=
otipo
se plantea aprovechar de manera el espacio pero que se cumpla con =
el
normal funcionamiento de cada una de las etapas de la máquina. La máquina=
se
construye con una base o estructura en tubo cuadrado de 2”, La cuchilla a=
l ser
un prototipo se construye en acero A36.
Figura 2. Modelo
de ensamble de máquina recicladora
Fuente: Autores
Metodología.
Para el desarrollo del presente proyecto se
establece cuatro fases. En la primera fase se realiza una investigación de
campo, identificando la problemática que presentan los centros de acopio de
botellas recicladas, y se evidencia que las botellas ocupan un gran espacio=
en
el lugar
En la segunda se desarrolla una investigaci=
n
exploratoria donde se analiza artículos científicos, revistas, libros, mi=
smos
que aportaran para el conocimiento de los materiales que conforman una bote=
lla
plástica, así como también propiedades mecánicas que posee dicho materi=
al.
Para la tercera fase se aplica un método
deductivo para determinar un pre diseño de un prototipo de máquina que re=
duzca
el volumen de las botellas plásticas y se establece, materiales con los qu=
e se
puede trabajar en la máquina
En la cuarta fase se construye el prototipo =
de máquina
convencional de bajo costo pero que cumpla con los requerimientos.
&nbs=
p;
Resultados.
Las propiedades
mecánicas de las botellas PET establece que presenta una alta deformación=
elástica
bajo estrés. Según estudios especializados (Chávez, 2018),
determina que las botellas plásticas poseen buena resistencia a la abrasi=
n e
impacto, pero una resistencia moderada a la flexión y al desagarro; tambi=
n
posee 0.05 Kg/mm2 de
resistencia a la rotura. Las propiedades mecánicas de las botellas PET sir=
ven
como punto de partida para establecer el proceso de corte o trituración por
cizallado, se elige este tipo de corte por desarrollarse en zonas específi=
cas y
con el actuar de fuerzas transversales.
Para un correc=
to
diseño del prototipo se implementa condiciones de funcionamiento como es la
velocidad de rotación de las cuchillas que es de 10 rpm; en el sistema de
trituración permitirá obtener elementos con un tamaño entre 5 a 7 cm
aproximadamente.
En el proceso =
de
corte en primera instancia se establece la potencia de funcionamiento, misma
que servirá para una correcta selección de la trasmisión por cadena, la
trasmisión por cadena ayuda fundamentalmente a suprimir las pérdidas de
potencia por deslizamiento al momento de realizar la trituración
Para obtener una selección adecuada del perfil de la
cuchilla de trituración es prioritario obtener la potencia necesaria de tr=
abajo
que permita realizar correctamente la actividad, para lo que se considera u=
na
granulometría de 60
de área =
Cálculo de la potencia del motor
Datos:
τ caucho
=3D 0.05
=3D> 490332.5
Fuerza de corte de la cizalla. =
Cál=
culo
del volumen y del torque
Cálculo del volumen según el triángulo de cizal=
las
Cálculo del torque
Cál=
culo
de la potencia del motor
Con el objeto =
de
otorgar un correcto funcionamiento de la máquina, se establece que el motor
debe poseer un factor de servicio,
Análisis de resultados
Los elementos triturados cumplen con las
especificaciones requeridas disminuyendo en si su volumen de almacenamiento=
. En
el intento de obtener una máquina versátil y al realizar las pruebas en el
prototipo se evidencia varias características que se detallan a continuaci=
ón:
Producto final
En la etapa final del proceso se obtiene un
producto final con distintas propiedades entre densidad, resistencia, las
propiedades están ligadas directamente con la variación de temperatura. A=
modo
de prueba se establece temperaturas entre 20°C y 180°C obteniendo a alta
temperatura una evaporación del material y a una baja temperatura un líqu=
ido
plástico útil para el recubrimiento o para el moldeo de diferentes elemen=
tos
Obtención de la fibra de plástico
Fuente: Autores
&nb=
sp;
Análisi=
s de
reducción de volumen
Para reali=
zar un
análisis de disminución de volumen ocupado por las botellas de plástico,=
se
relaciona el volumen de la botella con el volumen final conformado al salir=
de
la extrusora de plástico. Al tomar en consideración un cubo de
conformado =
del
producto plástico final de la máquina, y se calcula el volumen que es de =
. A su vez el volumen de una botella plástica es de =
aproximadam=
ente
entonces encontramos el número de botellas utilizadas para la conformació=
n del cubo plástico. Esto quiere decir que por cada 2
botellas podemos obtener un cubo de mencionadas dimensiones
=
SEQ Figura \* ARABIC 30. Cubo de material plástico
Fuente: Autores
Al relacio=
nar en
porcentaje de disminución del volumen se determina una disminución del 56=
%
Conclusiones.
· =
Para que la máquina presente un correcto
funcionamiento debe tomarse en cuenta un motor con una potencia de 3 Hp, la
trasmisión debe ser por cadena o por engranes para eliminar la perdida de
potencia por deslizamiento en las partes motrices.
· =
El prototipo de máquina es=
muy
versátil y de fácil mantenimiento que presenta dimensiones ergonómicas y=
de
fácil ubicación en cualquier lugar. Consta de tres módulos como ingreso =
de
materia prima, cámara de trituración, cámara de extrusión.
· =
En las etapas de trituraci=
n y
extrusión se reduce un 56% el volumen lo que permite un fácil traslado de
material a los distintos centros de acopio
· =
Para obtener un material PET
reciclado final con excelentes propiedades mecánicas y químicas se debe
establecer una correcta temperatura que oscila entre los 25°C a 30 °C, lu=
ego de
esa temperatura el plástico se evapora por lo que se produce una contamina=
ción
por gases.
· =
El producto final presenta =
una
porosidad en su conformación y fragilidad en su estructura por lo que se
debería añadir materia prima de PET y así mejorará las propiedades mec=
nicas y
químicas obteniendo una opción de reciclaje.
=
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=
&nb=
sp;
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
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