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INTRODUCCIÓN
Moderadas estimaciones de crecimiento poblacional indican que para el año 2050, se requerirá tres planetas para proporcionar los recursos naturales necesarios para mantener el actual estilo de vida humana (Ministerio de Producción y Comercio Exterior e Inversiones y Pesca, 2021). Según un reporte publicado por las Naciones Unidas, el sector de la construcción consume el 40% de la energía total, extrae alrededor del 30% de los recursos naturales del entorno y es responsable del 25% de los residuos sólidos generados (García et al., 2020). Para atender las necesidades de vivienda originadas por el crecimiento demográfico, en los próximos cinco años debería construirse alrededor de 17 millones de casas para alojar a una media de 77 millones de nuevos individuos anualmente. Esto implicaría la producción y utilización de más de 600 millones de metros cúbicos de suministros de construcción, lo que equivale a alrededor de 1500 millones de toneladas de materiales, componentes y subsistemas constructivos por año (Salas, 2016).
Por tanto, es crucial tomar medidas para invertir el impacto negativo del modelo económico lineal (extraer-producir-usar-desechar) en la sociedad y el medio ambiente. La adopción de un enfoque sostenible requiere un cambio drástico hacia una economía circular (Ministerio de Producción y Comercio Exterior e Inversiones y Pesca, 2021).
La aplicación del concepto de “Economía Circular” implica el uso de residuos como recursos en el sector de la construcción (Secretaría Nacional de Planificación, 2021). Por ejemplo, a partir de 2015 se han generado más de 6000 millones de toneladas de residuos plásticos a nivel mundial, de los cuales se estima que solo el 9% ha sido reciclado, el 12% ha sido incinerado y el 79% ha terminado en vertederos, arroyos, ríos y laderas debido a la inadecuada disposición final de los residuos (Portilla Jiménez, 2022). En la Unión Europea se planea que la tasa de reciclaje de plástico aumente hasta un 55%, y se proyecta que los vertederos se reduzcan a no más del 10% para 2030 (Turku et al., 2018).
En Ecuador, el plástico es ampliamente utilizado en diversos sectores, incluyendo el automotriz, agrícola, de alimentos e higiene, entre otros. En el año 2017, el país importó 373776 toneladas de productos de plástico, principalmente en artículos relacionados con la higiene y el cuidado personal, según lo señalado por Portilla Jiménez (2022). De acuerdo con el “Libro Blanco de Economía Circular de Ecuador (2021)”, el consumo nacional del plástico es de 20 kilos por habitante al año, lo que quiere decir un total de 531461 toneladas anuales y el 50% de este valor son envases de plástico suave de un solo uso. Además, esta cifra representa el 11,43% de los residuos totales generados.
Una de las formas de aprovechamiento de residuos plásticos es la elaboración de piezas (madera plástica) para edificar (Herrera et al., 2018, 2023; Rincón et al., 2016). En Ecuador, la producción de madera plástica (WPC o Plastic Lumber) a partir de polímeros reciclados ha experimentado un crecimiento significativo como respuesta a una mayor conciencia acerca de la necesidad de reciclaje y la demanda de materiales de construcción ecológicos y sostenibles (Bersoza, 2018). El aumento del reciclaje de plástico ha permitido que varias empresas produzcan de manera constante madera plástica a partir de polímeros reciclados. Constituyéndose en una alternativa innovadora y viable en la producción de materiales de construcción en el país (Albán, 2019; Alcívar y Arias, 2009). Algunas de estas empresas son Ecom, Ecuaplastic, Ecowood, Madera Plástica Barahona, Eco Wiblock y Madera Verde, entre otras (Eco Wiblock, s/f; Ecowood Ecuador, s/f; Ecuaplastic, s/f; Madera Plástica Barahona, s/f; Madera Verde Ecuador, s/f). Sin embargo, este material no es nuevo y existe desde 1992 (Klyosov, 2007).
Iza (2020) indica que la madera plástica tiene propiedades mecánicas aceptables y su resistencia varía de acuerdo con el porcentaje de mezcla (polímero y material reforzante). La adición de fibras de madera al plástico puede mejorar las propiedades mecánicas dando como resultado un material que puede ser utilizado como sustituto de la madera en aplicaciones estructurales, de mobiliario, construcción y otros productos similares. En este trabajo de investigación se presenta la caracterización física y mecánica de la madera plástica producida por las empresas Ecom y Ecuaplastic, con el fin de evaluar su calidad y capacidad para ser utilizados como material de construcción aplicado a la economía circular.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se analizaron dos muestras, la primera (M1) proviene de la empresa Ecom, con sede en Guayaquil, la cual se dedica a la producción de madera plástica utilizando tereftalato de polietileno (PET) reciclado de botellas y la adición de cáscara de arroz mediante un proceso de extrusión. La segunda (M2) se obtuvo de la empresa Ecuaplastic, ubicada en el sector de Alangasí. Esta última utiliza el polipropileno reciclado de fundas de snacks, costales, entre otros residuos, como materia prima para producir madera plástica mediante el proceso de inyección.
En la Figura 1 se muestran el equipo y las probetas ensayadas en la caracterización mecánica. Para los ensayos de compresión (Figura 1a), flexión (Figura 1b) y corte (Figura 1c) se usaron máquinas universales de 100 y 30 toneladas del laboratorio de ensayo de materiales y modelos de la Universidad Central del Ecuador (UCE). En el ensayo a tracción (Figura 1d) se usó la máquina universal de 500kN de la Escuela Politécnica Nacional (EPN).
A continuación, se especifican las relaciones dimensionales de las probetas utilizadas de acuerdo a las normas ASTM D 6108, 6109, 638 y 2344 .
Dónde: L (Longitud), D (Diámetro), H (Altura), B (Base), G (Longitud de ensayo), Wo (Ancho máximo), W (Ancho reducido), e (Espesor).
FIGURA 1 Ensayos para propiedades mecánicasa (Ensayo a compresión), b (Ensayo a flexión), c (Ensayo a corte) y d (Ensayo a tracción)
En la Figura 2 se muestra la determinación de las propiedades físicas de los materiales estudiados. Para la densidad (Figura 2a) se la determinó por el método gravimétrico, para la absorción (Figura 2b) se mantuvo inmersa la probeta en agua destilada y se registraba su peso periódicamente. En el caso de la dureza (Figura 2c) se la determinó con el durómetro en el Centro de Investigaciones Aplicadas a Polímeros (CIAP) de la EPN. Las probetas de los ensayos mencionados cumplen con las siguientes relaciones dimensionales de acuerdo con su normativa ASTM D 6111, 570 y 2240 respectivamente.
Dónde: L (Longitud), D (Diámetro) y e (Espesor).
FIGURA 2 Ensayos para propiedades físicas a (Ensayo de densidad – determinación gravimétrica), b (Ensayo de absorción – probeta sumergida en agua), c (Ensayo de dureza – Durómetro)
En la Figura 3, se muestra esquemáticamente el proceso para la determinación de las propiedades físicas y mecánicas de las dos muestras de madera plásticas estudiadas, desde la obtención de estas, pasando por la elaboración de las probetas y finalizando con la aplicación del ensayo acorde con su normativa.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En un diagrama radial (ver Figura 4) se ha considerado las principales características mecánicas de los materiales estudiados, que son: resistencia a compresión, flexión, tracción, corte y los módulos de elasticidad a compresión, flexión y tracción. Se aprecia gráficamente las diferencias entre los valores obtenidos.
Como se observa en la Figura 4, la diferencia de resistencias a compresión entre M1 (20,91 MPa) y M2 (22,43 MPa) es de 7,27 %. La resistencia a flexión de M2 (17,02 MPa) sobrepasa en 7,45% a M1 (15,84 MPa). Existe evidencia empírica que indica que, en el proceso de manufactura de la madera plástica, se pueden identificar un grado alto de variación en las propiedades mecánicas entre los diferentes lotes producidos del mismo material (Dos Santos et al., 2020). Los estudios realizados por (Chen et al., 2013; Hugo, 2015) evidencian esta variabilidad en las pruebas de resistencia que supera la diferencia observada entre las muestras M1 y M2. En consecuencia, se puede inferir que no representan una diferencia considerable.
La resistencia a corte de M1 (2,41 MPa) y de M2 (2,88 MPa), difiere en 18,03% lo que representa 0,47 MPa. En cuanto a la resistencia a la tracción, los resultados difieren ya que el material M1 (20,22 MPa) se destaca con un 33,82% respecto a M2 (15,11 MPa). Estos resultados se asumen que se deben a las propiedades intrínsecas de la calidad del material reciclado, lo cual afecta a las resistencias finales de la madera plástica. En este caso en particular las mayores resistencias se presentan en el material M2 con resultados que no difieren mucho a los de M1. En cuanto a la resistencia a la tracción el material M1 destaca, esto se debe a la incorporación de fibras de cáscara de arroz en su composición (Dos Santos et al., 2020; Suhot et al., 2021).
El módulo de elasticidad a compresión presenta una diferencia entre el material M1 (1159,91 MPa) y el material M2 (750,63 MPa) de 54,52%. El módulo de elasticidad a flexión de M1 (3308,5 MPa) es 3,476 veces superior a M2 (951,69 MPa) y el módulo a tracción de M1 (3069,31 MPa) sobrepasa en 3,12 veces a M2 (983,01 MPa). Esto es debido a una mayor rigidez en el material M1, ya que presentó menores deformaciones que M2 durante los ensayos. Por otro lado, la incorporación de fibras de cáscara de arroz incrementa el módulo de elasticidad y reducen deformaciones (Dos Santos et al., 2020; Suhot et al., 2021). Además, debido al método de producción, la muestra M1 no contiene vacíos en su sección transversal (Figura 5a), a diferencia de la muestra M2 (Figura 5b). Por lo tanto, se puede inferir que la existencia de vacíos en la muestra M2 conduce a una mayor deformación, ya que los vacíos disminuyen la inercia de las probetas ensayadas. Como consecuencia de esto, se obtienen módulos de elasticidad más bajos.
FIGURA 5 Sección transversal de muestras a (Sección transversal de la muestra M1 sin presencia de vacíos) y b (Sección transversal de la muestra M2 con presencia de vacíos).
En la Figura 6 mediante un diagrama radial donde se considera las fundamentales características físicas como la densidad, absorción y dureza se muestra las diferencias que existe entre las dos muestras estudiadas.
En el caso de la propiedad física “Densidad”, se tiene que material M1 (1,21g/cm3) es más denso que el material M2 (0,97g/cm3), debido a su matriz polimérica las cuales son PET y polipropileno respectivamente. El PET posee una densidad mayor al polipropileno (Callister y Rethwisch, 2016), lo cual repercute en la densidad del producto final como se puede ver según los resultados obtenidos en la investigación.
La absorción de agua es un parámetro importante dado su uso en la intemperie. Para el material M1 a las 24 horas se tiene una absorción de 1,85% en peso, comparados con los 0,77% del material M2 es una diferencia de 2,40 veces. Esto aumenta significativamente a largo plazo donde el material M1 llega a tener una absorción de 12,89% en comparación del 1,56% del material M2. Esto se debe a que M1 se encuentra elaborado con cáscara de arroz y la incorporación de componentes orgánicos en la mezcla aumenta la absorción de agua del material (Chen et al., 2014).
Finalmente, se tienen valores de dureza de 72,20 y 71 en la escala Shore D para los materiales M1 y M2, respectivamente. La Figura 7 representa la dureza de ciertos materiales mediante una escala que usualmente se encuentra en las páginas de proveedores de plásticos. En esta se puede observar que los materiales estudiados son “Extraduros”.
En la Tabla 1 se muestran las características mecánicas de las 2 muestras estudiadas, una madera plástica comercial (Black Rhino) de polietileno de alta densidad (HDPE) más fibra de vidrio y 2 maderas plásticas provenientes de investigaciones. Debido a la diferencia en la composición de estas maderas plásticas, no es posible realizar una comparación directa, la finalidad de la tabla es mostrar el desempeño del material.
[1]Black Rhino Recycling, s/f; [2]Cai, 2021; [3]Chen et al., 2014
TABLA 1 Desempeño de diferentes tipos de maderas plásticas
CONCLUSIONES
La producción de madera plástica en Ecuador es un excelente ejemplo de aplicación de la Economía Circular, que se basa en el ciclo de reutilización, reparación, remanufactura y reciclaje. Este material se produce a partir del reciclaje de botellas plásticas, fundas de snacks, costales y otros materiales, y debido a que está compuesto de polímeros, puede ser reciclado de nuevo después de su uso. La madera plástica cumple con varios principios de la Economía Circular, tal como se establece en la Ley Orgánica de Economía Circular Inclusiva, y se ajusta a la mayoría de las estrategias propuestas para los plásticos y materiales de construcción mencionados en el Libro Blanco de Economía Circular de Ecuador. Por lo tanto, es un material ideal para considerar dentro de una Economía Circular.
Se observa una diferencia apreciable en los módulos de elasticidad entre los materiales estudiados, siendo mayor para el material M1 a base de PET y menor para el material M2 a base de polipropileno. No obstante, esta diferencia no implica una menor resistencia, ya que los materiales son similares en este aspecto. En cambio, la diferencia indica que M1 es más rígido que M2, por tanto, en este último se tienen mayores deformaciones ante las mismas cargas.
En la evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales M1 y M2, se ha determinado que los módulos de elasticidad a flexión, tracción y compresión del material M1 son superiores debido a su mayor rigidez y menor deformación en comparación con el material M2. Esta rigidez es resultado de la combinación de las propiedades de los componentes individuales del material M1. Por un lado, el PET presenta módulos más altos en comparación con el polipropileno y, por otro lado, la cáscara de arroz actúa como fibras de refuerzo, aumentando en menor proporción el valor del módulo.
Durante los ensayos, se observaron deformaciones significativamente mayores en el material M2 en comparación con el material M1. Esto se debe a las propiedades intrínsecas de su matriz polimérica a base de polipropileno, que presenta módulos de elasticidad más bajos que el PET utilizado en el material M1. Además, la sección transversal del material M2 no se considera compacta debido a la presencia de vacíos causados por la incorporación de gases en su estructura, lo que disminuye su inercia y aumenta las deformaciones.
La versatilidad de la manufactura de la madera plástica permite producir elementos estructurales con distintas geometrías, aptos para la construcción civil gracias a que el material posee propiedades físicas y mecánicas suficientes. La madera plástica tiene un gran potencial en el diseño de elementos de carga axial, ya que posee un buen desempeño en compresión, flexión y tracción. Sin embargo, debido a las altas deformaciones que presenta, su uso se limita a construcciones de baja altura.
La utilización de madera plástica en la construcción presenta una ventaja significativa debido a que, al ser un material sintético, tiene una menor probabilidad de ser atacado por organismos xilófagos como termitas, carcomas y polillas de la madera, entre otros. A diferencia de la madera natural, que requiere de tratamientos especiales para prevenir infestaciones de plagas, en muchos casos utilizando sustancias tóxicas como el cromo y el arsénico.
Este estudio ha aportado información relevante sobre las propiedades físicas y mecánicas de la madera plástica fabricada por Ecom y Ecuaplastic en el país. Estos datos serán de gran utilidad para los diseñadores y proyectistas en el futuro, ya que les proporcionará los parámetros necesarios para utilizarla en programas de diseño estructural de manera adecuada y efectiva.
