i

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INDUSTRIAL

“EVALUACIÓN DE LA DEGRADACIÓN TÉRMICA SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS EN POLÍMEROS PETROQUÍMICOS

LOCALES. CASO: POLIETILENO”

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO INDUSTRIAL

INTEGRANTES:

LIZARDOS, LUCAS

MENDOZA, VANESSA

NARANJO, HECTOR

FACILITADORES:

PhD. ALFONSO CHIRINOS

Dr. RICARDO CARABALLO

Maracaibo, Mayo 2014

ii

EVALUACIÓN DE LA DEGRADACIÓN TÉRMICA SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS EN POLÍMEROS PETROQUÍMICOS

LOCALES. CASO: POLIETILENO

iii

iv

v

vi

DEDICATORIA

Este trabajo va dedicado primera y especialmente a Dios, quien me ha

llevado por su senda, y ha guiado mis pasos en toda mi carrera. A mis

padres quienes me han apoyado desde mis inicios académicos no solo

económicamente sino dándome su gran apoyo moral que me ayuda a ser

cada día mejor. A mis hermanas y familiares quienes comparten conmigo la

alegría de una meta más cumplida, y el inicio de una nueva etapa. Por último

y no menos importante a mi equipo durante la realización de este trabajo con

quienes a pesar de inconvenientes y bajas forme un buen equipo de trabajo y

supimos sobre llevar cada situación que se nos presentó.

HECTOR NARANJO

vii

DEDICATORIA

Esta meta cumplida se la dedico principalmente a mis padres, a quienes hoy

por hoy les debo todo lo que soy, cuyo apoyo y soporte incondicional ha sido

vital para lograr alcanzar todas las metas a lo largo de mi vida, por lo cual

hoy quiero darle y demostrarle infinitas gracias a los seres que más amo en

el mundo, ¡honor a quien honor merece!.

A mi abuela, mi abuelita, más que una segunda madre, quien con sus sabias

y acertadas palabras ha contribuido fuertemente en la formación del ser

quien soy hoy en día.

A mis hermanos, quienes conviven día a día conmigo y que me

acompañaron en todo momento hasta poder alcanzar tan anhelada meta , es

por ellos que trato de superarme cada día más y así lograr ser un ejemplo

digno para ellos.

A compañeros de tesis, más que compañeros grandes amigos, ya que sin

sus acertadas ideas y trabajo en conjunto, hubiera sido imposible la

realización de esta investigación.

Y por último, dedico esta investigación a mi tutor académico el profesor

Alfonso Chirinos, quien a través de sus sólidos conocimientos, fue una guía

indispensables para logras mis objetivos académicos.

LUCAS LIZARDOS

viii

DEDICATORIA

Este logro se lo dedico a mis padres, pilar fundamental en mi vida. Gracias por

su apoyo y por sus enseñanzas, con mucho orgullo reconozco que todo lo que

tengo y lo que soy hoy día se lo debo a ustedes.

A mis hermanas, por quienes trato de ser y dar lo mejor de mí, a Viviana por

enseñarme la dedicación y constancia como la clave para alcanzar metas, y a

Valeria por quien mi esfuerzo es ser un buen ejemplo.

A mis amigas, de quienes aprendí el respeto, la confidencialidad, la comprensión

y la honestidad como valores insustituibles en la vida, y que la hermandad no se

limita a los lazos que da la unión de la sangre.

A mi familia; abuelas, primas, primos, tías, tíos, de todos he recibido alguna

enseñanza y siento gran admiración y respeto por cada uno de ustedes.

Al Prof. Alfonso Chirinos, sinónimo de excelencia para mí, a usted todo mi

agradecimiento por la confianza depositada en nosotros, y por haber compartido

durante este tiempo toda su experiencia y conocimientos.

A mis amigos Héctor y Lucas, por haberme acompañado durante todo este

proceso, por haber colocado cada uno su granito de arena para que llegar a este

momento fuese posible. ¡Felicidades muchachos, lo logramos!

VANESSA MENDOZA

ix

AGRADECIMIENTOS

A Dios por llenarnos de salud y de constancia para lograr todas y cada una

de nuestras metas profesionales y personales.

A nuestros padres, quienes nos dieron la vida y nos guiaron a lo largo de

nuestra vida, sin su incondicional apoyo y guía no hubiésemos llegado hasta

aquí. Gracias por dotarnos de la educación, les estaremos agradecidos por el

resto de nuestras vidas, que Dios los bendiga hoy y cada día de su vida.

Agradecemos a quien fue nuestro tutor académico el profesor Alfonso

Chirinos, quien nos direcciono para lograr culminar nuestro trabajo de grado.

Gracias profesor por darnos su confianza, apoyo y conocimientos en la

materia. Del mismo modo agradecemos al Dr. Ricardo Caraballo, por

guiarnos y dar su valioso aporte para la realización y culminación de nuestra

tesis.

Finalmente agradecemos a nuestros amigos, compañeros que participaron y

ayudaron a la formación de nuestra vida profesional.

Br. Lizardos, Lucas

Br. Mendoza, Vanessa

Br. Naranjo, Héctor

x

Lizardos, Lucas. Mendoza, Vanessa. Naranjo, Héctor. EVALUACIÓN DE LA DEGRADACIÓN TÉRMICA SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS EN POLÍMEROS PETROQUÍMICOS LOCALES. CASO: POLIETILENO. Trabajo especial de grado. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería, Escuela de Industrial. Maracaibo Mayo, 2014.

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación se desarrolla la metodología a través de la cual es posible evaluar los efectos de la degradación térmica sobre las propiedades mecánicas de polímeros, específicamente del polietileno, El objetivo de la investigación es evaluar la degradación térmica sobre las propiedades mecánicas en polímeros petroquímicos locales. La información teórica fue obtenida de una serie de autores tales como Askeland (2004), Hurtado de Barrera (2000). La investigación se clasificó como Descriptiva. La metodología se desarrolló en tres fases de trabajo, dos fases de ensayos y una última fase de evaluación de resultados. Se realizó la planificación de la investigación mediante un cronograma de actividades, diseñado para llevar a cabo todos los objetivos específicos de la investigación, incluyendo el análisis de los actuales tratamientos, la identificación de los parámetros de temperatura y tiempo de permanencia en el horno para llevar a cabo la degradación térmica. Como resultado se determinó una serie de propiedades obtenidas del ensayo de tracción, las cuales se utilizaron para evaluar los cambios en las muestras de polietileno tratadas y no tratadas térmicamente con variaciones en los parámetros de temperatura y tiempo. Estos resultados fueron compilados en tablas construidas a partir de los datos recolectados en los ensayos de laboratorio, que se presentan como el valor de esta investigación. Palabras Claves:Polietileno, Propiedades mecánicas, Tratamiento térmico, Ensayo de Tracción.

xi

Lizardos, Lucas. Mendoza, Vanessa. Naranjo, Héctor. EVALUATION OF THERMAL DEGRADATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES IN LOCAL PETROCHEMICAL POLYMERS. CASE: POLYETHYLENE. Degree thesis. Private University Dr. Rafael BellosoChacín. Faculty of Engineering, School of Industrial Engineering. Maracaibo,May 2014.

ABSTRACT

In this research is developed the methodology through which it is possible to assess the effects of thermal degradation on the mechanical properties of polymers, specifically of the polyethylene, the objective of the research is to evaluate the thermal degradation of the mechanical properties in local petrochemical polymers. Theoretical information was obtained from a number of authors such as Askeland (2004), Hurtado de Barrera (2000). The research was classified as descriptive. The methodology was developed in three phases of work, two phases of testing and a final phase of results’s evaluation. The planning of the study was conducted using a schedule of activities, designed to carry out all the specific objectives of the research, including analysis of current treatments , the identification of the parameters of temperature and residence time in the oven to bring out thermal degradation. As a result a number of properties obtained from tensile test was determined, which were used to assess changes in the samples of treated and non-heat- treated polyethylene with variations in the parameters of temperature and time. These results were compiled in tables constructed from data collected in the laboratory tests, which are presented as the value of this research. Keywords:Polyethylene, Mechanical properties, Heat treatment, Tensile Test.

xii

INDICE GENERAL

PÁG.

VEREDICTOS……………………...…….………………………………… iii

DEDICATORIA………………………….………………………………….. vi

AGRADECIMIENTOS……….…………………………………………….. ix

RESUMEN…………………………………………………………………... x

ABSTRACT……………………………………………………………........ xi

ÍNDICE GENERAL…………………………………………...………........ xii

ÍNDICE DE CUADROS…..……………………………………...………... ix

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………...………........ xx

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………...………... xxi

IINDICE DE GRAFICOS………………………………………..………… xxii

INTRODUCCIÓN………………………………………..…………………. 1

CAPÍTULO I. EL PROBLEMA………………………………………........ 4

1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO……… 5

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………………… 6

xiii

2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN……………………….…….. 7

2.1. OBJETIVO GENERAL…………………………………………….. 7

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………… 7

3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN…………………………... 7

4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN……………………………. 8

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO……………………………………….. 10

1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN……………….……….. 11

2. BASES TEORICAS……………………………………………………… 17

2.1. EVALUACIÓN…….…………………………………………… 17

2.2. DEGRADACIÓN TÉRMICA….…………….…..………......... 17

2.2.1. DEGRADACIÓN….…………….…..……….........….…… 17

2.2.1.1. TIPOS DE DEGRADACION….…..………............ 17

2.2.1.1.1. DEGRADACION DE LOS POLIMEROS... 17

2.2.1.2. DEGRADACION TERMICA DE LOS POLIMEROS... 18

2.2.1.2.1. DEGRADACION OXIDATIVA DE LOS

POLIMEROS.. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..... 18

xiv

2.3. PROPIEDADES MECÁNICAS………………………………. 18

2.3.1. ELASTICIDAD... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19

2.3.1.1. ZONA ELASTICA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19

2.3.1.2. MODULO DE YOUNG... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19

2.3.2. PLASTICIDAD... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19

2.3.2.1. ZONA PLASTICA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20

2.3.3. DUCTILIDAD... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20

2.3.4. DUREZA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21

2.3.5. INDICE DE FLUIDEZ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21

2.3.6. PRUEBAS DE RESISTENCIA MECANICA... ... ... ... ..... 21

2.3.6.1. ENSAYO DE TRACCION... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 21

2.3.7. PROBETA... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 22

2.3.8. FORMACION DE CUELLO O ESTRICCION... ... ... ... ... 22

2.4. POLIMEROS.…………………………………………….......... 22

2.4.1. MONÓMEROS... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22

2.4.2. OLEFINAS... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23

xv

2.4.3. ETILENO... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23

2.4.4. TIPOS DE POLIMEROS... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23

2.4.4.1. TERMOPLASTICOS... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 23

2.4.4.2. TERMOESTABLES... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 23

2.4.5. POLIETILENOS... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24

2.4.5.1. TIPOS DE POLIETILENO... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24

2.4.5.1.1. BAJA DENSIDAD... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24

2.4.5.1.2. BAJA DENSIDAD LINEAL... ... ... ... ... ... ... ... ... 24

2.4.5.1.3. ALTA DENSIDAD... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25

2.4.6. POLIMERIZACION... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25

2.4.6.1. POLIMERIZACION DE POLIETILENOS... ... ... ... ... 25

3. SISTEMA DE VARIABLES………………………………….…………. 26

3.1. DEFINICIÓN NOMINAL……………………………………….. 26

3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL…………………………............ 26

3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL………………………………… 26

xvi

CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO..…………………………… 28

1. TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN………………………….. 29

2. POBLACIÓN…………………………………………………………….. 31

3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.. 32

4. METODOLOGÍA SELECCIONADA…………………..………………. 32

5. PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN……………………………. 35

6.1. PASOS A SEGUIR…..…………..…………..…………..……… 35

6.2. EL EXPERIMENTO……..…………..…………..………………… 35

6. CUADRO Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES……………..…… 39

CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN…………… 41

1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS……. 42

1.1. DESARROLLO DE LAS FASES DE LA INVESTIGACIÓN.… 42

1.1.1. FASE I: ENSAYOS………………………………………… 42

1.1.2. FASE II: ENSAYOS DE TRACCIÓN…………………… 45

1.1.3. FASE III: EVALUACIONES……………………………… 52

xvii

CONCLUSIONES...………………………………………………………… 63

RECOMENDACIONES…………………………………………………… 65

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………….………… 67

ANEXOS…………………………………………………………………… 69

ANEXO 1. MODELO DE ALUMINIO MECANIZADO………………… 70

ANEXO 2. MODELO DE ALUMINIO MECANIZADO COMPLETO… 70

ANEXO 3. HORNO DE TRATAMIENTOS TERMICO

THERMOSCIENTIFICTHERMOLYNE……………………………………

71

ANEXO 4. PRIMERA PROBETA POLIETILENO 29-08……………… 71

ANEXO 5. DESARROLLO DE LAS PROBETAS………………………… 72

ANEXO 6. PROBETA SIN RETIRAR DEL MOLDE……………………… 72

ANEXO 7. MOLDE DE ALUMINIO Y PROBETA CON EXCESO…… 73

ANEXO 8. MOLDE DE ALUMINIO Y PROBETAS DE POLIETILENO

29-09 Y 11PG1…………………………………………………………………

73

ANEXO 9. PROBETAS DE POLIETILENO 29-08……………………… 74

ANEXO 10. PROBETAS DE POLIETILENO 11PG1…………………… 74

ANEXO 11. PRIMEROS DE ENSAYO DE TRACCIÓN……………… 75

xviii

ANEXO 12. ENSAYO DE TRACCIÓN POLIETILENO 29-08………… 75

ANEXO 13. ENSAYO DE TRACCIÓN POLIETILENO 29-08………… 76

ANEXO 14. ENSAYO DE TRACCIÓN POLIETILENO 29-08………… 76

ANEXO 15. ENSAYO DE TRACCIÓN POLIETILENO 29-08………… 77

ANEXO 16. ENSAYO DE TRACCIÓN POLIETILENO 29-08

(RUPTURA) ……………………………………………………………………

77

ANEXO 17. PROBETAS POLIETILENO 29-08 LUEGO DE 1, 2 Y 3

HRS EN EL HORNO………………………………………………………… 78

ANEXO 18. ENSAYO DE TRACCIÓN PROBETA POLIETILENO

11PG1…………………………………………………………………………

78

ANEXO 19. ENSAYO DE TRACCIÓN DE POLIETILENO 11PG1…… 79

ANEXO 20. ENSAYO DE TRACCIÓN DE POLIETILENO 11PG1…… 79

ANEXO 21. ENSAYO DE TRACCIÓN DE POLIETILENO 11PG1…… 80

ANEXO 22. ENSAYO DE TRACCIÓN DE POLIETILENO 11PG1…… 80

ANEXO 23. ENSAYO DE TRACCIÓN DE POLIETILENO 11PG1…… 81

ANEXO 24. MAQUINA DE ENSAYO………………………………………… 81

ANEXO 25. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES…………………………

82

xix

ÍNDICE DE CUADROS

CUADROS PÁG.

1. Cuadro de antecedentes................................................. .........................16

2. Cuadro de actividades.................................................... ............................40

xx

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURASPÁG.

1. Módulo de Young Polietileno 29-08………………………………….54

2. Resistencia a la Tracción Polietileno 29-08…………………………55

3. Porcentaje de Elongación Polietileno 29-08………………………..56

4. Módulo de Young Polietileno 11PG1………………………………..58

5. Resistencia a la Tracción Polietileno 11PG1………………………..60

6. Porcentaje de Elongación Polietileno 11PG1………………………61

xxi

ÍNDICE DE TABLAS

TABLAPÁG.

1. POLIETILENO 29-08 (CONTROL)....................................................... 45

2. POLIETILENO 11PGH (CONTROL)………………….………………… 46

3. POLIETILENO 29-08 (100°C)……………………………………………. 47

4. POLIETILENO 11PGH (100°C)………………………………………….. 48

5. POLIETILENO 29-08 (120°C)……………………………………………. 50

6. POLIETILENO 11PGH (120°C)………………………………………….. 52

xxii

ÍNDICE DE GRÁFICOS

GRÁFICOSPÁG.

1. POLIETILENO 29-08 (CONTROL)……………………………..…45

2. POLIETILENO 11PGH (CONTROL)………………………………46

3. POLIETILENO 2908 1.5HR - 120°C…………………………………48

4. POLIETILENO 2908 2.5HR - 120°C…………………………………49

5. POLIETILENO 2908 3.5HR - 120°C…………….……………………49

6. POLIETILENO 11PG1 1.5HR - 120°C…………………………….…50

7. POLIETILENO 11PG1 2.5HR - 120°C…………………………….…51

8. POLIETILENO 11PG1 3.5HR - 120°C………………………………51

INTRODUCCIÓN

A nivel mundial, los polímeros son uno de los materiales de mayor uso en

la industria por su diversidad de aplicaciones en el mercado automovilístico,

de empacado de alimentos, fabricación de tuberías, juguetería; entre otros.

De acuerdo a su formación y propiedades existe una amplia clasificación de

polímeros, entre los cuales se destacan el PVC o, para efectos de la

presente investigación, el polietileno.

Venezuela como país petrolero tiene la ventaja de poder sintetizar

polímeros como el polietileno a través del uso de olefinas, que no son más

que hidrocarburos en estado gaseoso, constituidos o formados por átomos

de carbono unidos a través de un doble enlace.

El polietileno es un polímero que se utiliza comúnmente para la

fabricación de diversos productos que van desde componentes para

automóviles hasta papel film o bolsas de supermercado, y este es el

resultado del proceso de polimerización por adición a través de la síntesis de

eteno. Todas las propiedades mecánicas del polietileno son sensibles a las

variaciones de temperatura. Si el material se enfría rápidamente desde el

estado fundido, el sólido tiene densidad y cristalinidad menores; por

consiguiente es más blando y más flexible y, por lo menos al principio, es

más resistente al agrietamiento a bajas temperaturas y al agrietamiento en

presencia de líquidos orgánicos.

2

2

Por otro lado, es probable que contenga más tensiones internas. El

enfriamiento lento partiendo del estado fundido o el recocido de la muestra,

da un producto más cristalino, más duro y algo más quebradizo.

Dichas propiedades podrían verse afectadas positiva o negativamente por

efectos térmicos de acuerdo a la exposición a la que se vea sometido el

material.

Es en este sentido que el propósito de esta investigación es evaluar si de

hecho el sometimiento a la degradación térmica tiene efectos considerables

sobre las propiedades mecánicas del polímero de estudio (polietileno),

mediante la aplicación de una metodología que será desarrollada a lo largo

de este trabajo de investigación.

Se evaluarán diferentes características relacionadas con el polietileno

como material de ingeniería, que incluyen la identificación de los parámetros

de temperatura, el tiempo de permanencia en el horno y los métodos de

enfriamiento utilizados durante el tratamiento térmico. Este trabajo contara

con tres (3) fases mencionadas a continuación:

Fase I: En esta fase se realizaran los distintos ensayos de laboratorio que

serán ejecutados en las instalaciones de la universidad DR. RAFAEL

BELLOSO CHACÍN.

Las pruebas que se realicen son las aplicables en el polietileno, se

identificaran los parámetros de temperatura en un horno de tratamientos

3

3

térmico Thermo Scientific Thermolyne, las dimensiones de las probetas, así

como también el tiempo de permanencia durante la aplicación de los

tratamientos.

Fase II: En esta fase una vez obtenidas las probetas a estudiar y después de

efectuados los tratamientos térmicos indicados, se dará inicio a el ensayo de

tracción en la maquina universal de ensayo marca Lloyd modelo EZ-20,

donde se determinarán las propiedades mecánicas del aluminio, obteniendo

la curva de tensión- deformación donde se destacan zonas de importancia en

la misma para el desarrollo de la investigación, como lo son, deformación

elástica, límite de fluencia o cedencia, deformación plástica, esfuerzo

máximo, entre otras.

Fase III: En esta fase se realizarán evaluaciones de las propiedades del

polietileno, el comportamiento de las probetas luego de realizar los ensayos

pertinentes así como también se compararán los resultados obtenidos de los

mismos estudios realizados anteriormente. Cabe destacar que todas estas

apreciaciones se tomaran considerando las fases antes mencionadas y de

los resultados obtenidos en e l laboratorio.