Poliestireno expandido: potencial para su reciclado como aislante térmico

José Aurelio Sosa Olivier*, José Ramón Laines Canepa*, Anabel González Díaz**,
Liliana Martínez Bautista*, Lorena Sánchez Pedrero*, Israel Ávila Lázaro*

CIENCIA UANL / AÑO 20, No. 86 octubre-diciembre 2017

Resumen

El objetivo del presente fue evaluar el poliestireno reciclado, a partir de un proceso con un solvente comercial, buscando su utilidad como aislante térmico. Los resultados de los análisis SEM y CDB determinaron morfologías homogéneas, de pocos poros y una temperatura de degradación de 416±3.31°C. Para determinar la funcionalidad del material, se llevó a cabo un diseño experimental aleatorio, dirigido, con seis tratamientos, cada uno obteniendo un valor de p > 0.05. Es importante la búsqueda de alternativas de reciclaje de materiales de desecho, alargando el ciclo de vida.

Palabras clave: CDB, PS, polímeros, SEM, thiner, unicel.

Abstract

The objective of this study was to evaluate recycled polystyrene, through the process of dilution with a commercial solvent, hoping to find its utility as thermal insulation. The SEM and CDB analysis results determined homogenous morphologies, with few pores and a degradation temperature of 416±3.31°C. To determine the functionality of the material, a randomized experimental design was conducted, run, with six treatments with three replicas, each yielding a value of p > 0.05. The search for alternative means of recycling waste material is important, extending the lifecycle.

Keywords: CDB, PS, polymer, SEM, thinner, styrofoam.

La generación de residuos y su manejo inadecuado es uno de los problemas de mayor impacto ambiental en muchos países. El plástico se ha convertido en una necesidad de la sociedad. El crecimiento de la población y el desarrollo tecnológico han dado como resultado un incremento en la producción de plásticos a nivel mundial. En los últimos 30 años, la producción ha aumentado en 500%, y para 2050 se espera una producción de 850 millones de toneladas (Kreiger et al., 2014; Lebreton et al., 2012; Lotfi, 2009; Shen et al., 2009). En 2011 se tuvo una producción de 280 millones de toneladas de plásticos a nivel mundial, de las cuales el poliestireno representa 7.5%. México consume 2% de esa producción, es decir, 5.3 Mton/año (PEMRG, 2012). Kreiger et al. (2014) reportan que en la actualidad existen siete tipos de plásticos comúnmente reciclados, como polietileno tereftalato (PET), polietileno de alta densidad (PEAD), cloruro de polivinilo (PVC), polietileno de baja densidad (PEBD), polipropileno (PP), poliestireno (PS) y “otros”, que pueden ser policarbonato (PC) y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Actualmente, existen plásticos que son de mayor demanda o uso como el poliestireno (PS), utilizado en utensilios de cocina (platos y vasos) y el poliestireno expandido PSE, usado en el embalaje de protección de productos y transportes. Schmidt et al. (2011) mencionan que, a nivel mundial, se producen 3 millones de toneladas de PS anualmente. El PS es un polímero vinílico que estructuralmente es una cadena hidrocarbonada –[C₈ H₁₀] n−, con un grupo fenilo (C6 H6) unido cada dos átomos de carbono. Es un material plástico transparente, inodoro, insípido y relativamente frágil, a no ser que se modifique. El PS fue sintetizado por primera vez a nivel industrial en 1930. El PS expandido contiene sólo 2% de PS y 98% de aire (Schmidt et al., 2011). Asdrubali et al. (2015) mencionan que el PS presenta un rango de 0.031 –0.038 W/mK– de conductividad térmica (flujo de calor en estado estacionario, a través de un área unitaria de un material homogéneo, de 1 m de espesor, inducido por una diferencia de temperatura de 1 K en sus caras), además de una densidad de 15-35 kg/m³. En general, los PS tienen buena estabilidad dimensional, pequeña contracción al moldearlos y son fácilmente procesables a bajo costo. Vilaplana et al. (2007) mencionan que la temperatura de degradación del PS es de 430°C, realizado en mezclas utilizadas de PS con solventes orgánicos. Los PS tienen buenas propiedades como aislantes eléctricos y adecuadas propiedades mecánicas dentro de los límites de temperatura de uso. Los productos de PS son caracterizados por su ciclo de vida relativamente corto, en utensilios de cocina, a diferencia de otros usos del PS, donde el producto presenta un empleo más prolongado, como el embalaje y materiales antichoques. El consumo de PS en México es de 400 mil toneladas anuales. El PS es actualmente el cuarto plástico más consumido por detrás del polietileno, el polipropileno y el PVC. Además, es un residuo contaminante muy resistente a la acción del medio ambiente y del agua del mar (Sheirs et al., 2003). Es por ello que se realizan grandes esfuerzos en la recuperación de los materiales utilizados, evitando la incineración y el vertido, ya que tienen un severo impacto ambiental. En México, el porcentaje de reciclaje de plásticos es de 30 a 40% de lo consumido (Conde, 2012). Existen en la actualidad dos métodos conocidos en el reciclado de polímeros, el reciclado mecánico, que consta de moler el plástico y reprocesarlo, combinándolo con nueva materia prima para producir un nuevo producto, y el reciclado químico, el cual regresa a sus componentes hidrocarbonados como poliolefinas, monómeros, poliésteres y poliamidas, que son utilizadas como materia prima en la producción de un nuevo polímero (Hamad et al., 2013). Numerosas investigaciones han permitido reafirmar el potencial de aprovechamiento del PS, cuando éste pasa a formar parte de los residuos sólidos. García et al. (2009) reportan que un método de reciclado del PS consiste en adicionar progresivamente una cantidad determinada de un solvente, manteniendo la mezcla en constante agitación, hasta encontrar la cantidad óptima que se requiere de solvente para diluir una cantidad determinada de PS. Muchas de estas investigaciones han sido basadas en el objetivo de aprovechar la capacidad como aislante térmico de este material. Perdomo et al. (2012) evaluaron el uso del PS reciclado como impermeabilizante alternativo en electrodos de soldadura subacuática, obteniendo resultados favorables con el uso del PS reciclado a una profundidad de 50 m. Galindo et al. (2008) desarrollaron un prototipo aislante e impermeabilizante a partir del reciclaje del PS, probando su efecto en techos de viviendas de zonas desérticas, obteniendo diferencias en los techos con el aislante de 6.4°C y 7.2°C sin el aislante, concluyendo con su uso en techos con 80 m² . Georgiev et al. (2015) reportan el uso de PS como aislante térmico en corrales de cerdo, los espesores de 8 a 10 cm, con una reducción de 11% de pérdidas de calor. El objetivo de este estudio es evaluar el potencial de reciclaje de PS de bajo costo y fácil operación, para su uso como aislante térmico.

Método

Proceso de acopio y pretratamiento del PS

En el pasillo principal de la DACBiol se cuenta con un contenedor de 2 x 1.65 x 1.30 m, con un volumen total de 4.29 m³. En él se acopió PS de dos tipos, expandido (de impacto) y compactado (vasos y platos). Se realizó la recolección y monitoreo durante cuatro semanas, en el periodo del 24 de febrero al 21 de marzo de 2014. Cada siete días se extraía el material del contendor para su limpieza, desfragmentación y molienda, en moledoras rústicas de diseño propio, en la Planta Piloto 3 de Tratamiento Atmosférico y Residuos Sólidos.

Proceso de dilución

Teniendo el PS molido, se utilizó la técnica de García et al. (2009), usando contenedores plásticos de 4 l, donde se colocaron 60 g de PS molido. El solvente utilizado fue thiner tipo americano marca Comex® (50% tolueno). En probetas de 100 ml se midió la cantidad óptima del solvente, añadiendo al recipiente que contenía el PS. Con ayuda de palas de madera, se mezcló de forma manual, para obtener una homogenización completa del PSE con el solvente. Como resultado de esta dilución se obtuvo una solución viscosa, la cual era aplicada con brochas sobre las superficies que se pretendía aislar térmicamente.

Caracterización del prototipo

Para conocer las propiedades físicas y morfólogicas del prototipo se realizaron las siguientes pruebas, a muestras de la solución debidamente secadas a temperatura ambiente.

Microscopía electrónica de barrido (MEB)

Las muestras se analizaron en un microscopio electrónico de barrido marca JEOL®, modelo JSM-6010 LA, con detector de energía dispersiva de rayos X (EDS). La preparación de las muestras consistió en fragmentar las muestras en nitrógeno líquido para obtener muestras con dimensiones aproximadas a 1 cm² , posteriormente se colocaron sobre cinta conductora de carbón de doble cara en una portamuestras de acero y se observaron a bajo vacío.

Calorimetría diferencial de barrido (CDB)

Las propiedades térmicas de las muestras se evaluaron por calorimetría diferencial de barrido. Los análisis se realizaron en un calorímetro diferencial de barrido marca Mettler Toledo modelo DSC1. Se pesaron 3.4 mg de las muestras y se depositaron en un crisol de aluminio de 40 µl, que se selló y perforó para permitir la entrada del flujo de gas. Las mediciones se realizaron bajo una atmósfera de nitrógeno utilizando un flujo de gas de 50 cm³ min^-1. Las muestras se enfriaron desde 25°C hasta -50°C a una velocidad de enfriamiento de -10°C min^-1 y después se calentaron desde -50°C hasta 500°C a una velocidad de calentamiento de 10°C min^-1.

Unidades experimentales

Para determinar la funcionalidad del aislante prototipo se elaboraron 18 unidades experimentales (UE), las cuales constan de viviendas de prototipo de madera, con techo de lámina de Zinc, ya que son materiales base en la construcción de hogares, como se muestra en la figura 1.

Para determinar el efecto del aislante prototipo, las UE fueron recubiertas, manejando dos espesores, 1.5 y 2 mm, respectivamente. Para comparar los grupos de estudios, se utilizó un impermeabilizante marca Fester® y un blanco, que constaba de un grupo sin ninguna cubierta en la lámina de zinc. Finalmente se obtuvieron cuatro grupos de estudio con tres réplicas. El experimento de exposición se llevó a cabo en el techo de la cafetería principal de la DACBiol. El monitoreo se llevó a cabo en un periodo comprendido entre el 7 de abril y el 2 de mayo. Se utilizaron termómetros de mercurio escala -25 a 100°C. El efecto de la variación de temperatura horaria se determinó mediante la metodología de horas–grado durante el periodo experimental, en horarios de 7:00 am-7:00 pm.

Análisis estadístico

El estadístico empleado en este estudio, para determinar las diferencias de temperatura, fue un ANOVA con un intervalo de confianza de 95%, utilizando el paquete estadístico Statgraphics® Centurion XV.II.

Resultados

Proceso de acopio

En la tabla I se muestran las cantidades de PS residual acopiado para el presente estudio.

Determinación de la dilución

Las proporciones obtenidas se muestran en la tabla II, en la cual se puede observar una proporción ligeramente mayor, con el uso de PS expandido, con 0.39 g PS ml^-1 de solvente.

Caracterización del prototipo

Se muestra a continuación los resultados obtenidos en la caracterización del prototipo. Cabe señalar que estos analisis se realizaron unicamente para el grupo de PS expandido, ya que presentaba una mejor dilución que el PS compactado.

Microscopía electrónica de barrido (MEB)

En la figura 2 se muestra la micrografía de la M1, que exhibe una morfología homogénea, casi perfectamente distribuida a lo largo del área de la muestra, con algunas arrugas en la matriz del material, que pudieron ser causadas por el secado del material y reacomodo estructural. En la M2 se puede observar una morfología plana con textura uniforme y áspera. El análisis morfológico demuestra que existe poca porosidad y fisuras, algo muy similar a lo reportado por Schmidt et al. (2011), por lo que se considera un material potencialmente impermeable para su uso como recubrimiento en techumbres

Calorimetría diferencial de barrido (CDB)

En la figura 3 se observa un termograma de las muestras, en éste se reflejan las transiciones térmicas de cada una, al realizar el borrado de la memoria térmica. Se observa un cambio considerable de fase hasta cerca de los 400°C, en donde se observa una absorción de calor, lo cual genera un estado endotérmico en las temperaturas, esta transición térmica del material corresponde a su degradación. Schmidt et al. (2011) reportan una degradación térmica del PS de 387.48°C, muy distinto a los 416±3.31°C encontrados en promedio de las mezclas utilizadas, pero similares a lo reportado por Vilaplana et al. (2007) con una temperatura máxima de la tasa de descomposición de 430°C (figura 3).

Resultados experimentales

Los valores obtenidos en la medicion de temperaturas de las UE (figura 4), durante el periodo experimenta en el horario de 7:00 am a 7:00 pm, se muestran en la figura 5.

En la figura 5 se observan flechas rojas, señalando los valores promedio más bajos de temperatura regitrados durante el periodo de monitoreo, lo que corresponde para el tratamiento PS expandido a 2 mm de espesor. Los horarios de 11:00 am, 2:00 pm y 5:00 pm son los de mayor temperatura.

Análisis estadístico

Verificando los valores estadísticos se procedio a realizar un analisis de varianza (ANOVA). Puesto que el p-valor de la prueba es superior o igual a 0.05, no existen diferencias estadisticamente significativas entre las medias de las seis variables analizadas, como se muestra en la figura 6.

Discusión

Los resultados del análisis CDB arrojan una temperatura de degradación de 416±3.31°C, ligeramente similar a la reportada por Vilaplana et al. (2007). El método empleado en la dilución y determinación de la proporción del solvente es funcional, como lo mencionan García et al. (2009). Los resultados de temperatura registrados arrojan una disminución de 0.40°C entre el grupo de PSE a 1.5 mm de espesor, y el testigo, el incremento de espesor favorecería la capacidad de aislante térmico, como los reporta Georgiev et al. (2015). Sin embargo, los resultados del análisis estadístico concluyen que no existen diferencias significativas entre los grupos de interés.

Conclusión

Esta investigación da inicio a diversas áreas, como el aumento en el espesor del material, el uso de otros solventes, la calidad del material a utilizar, otras funcionalidades del material, entre otras, buscando siempre dar alternativas a problemas que aquejen a la sociedad.

* División Académica de Ciencias Biológicas.
** División Académica de Ingeniería y Arquitectura.
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.
Contacto: ing-jaso@hotmail.es

Referencias

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Recibido: 05/02/2016
Aceptado: 09/07/2017