1
OBTENCIÓN DE UN AGENTE MODIFICADOR DE LA VISCOSIDAD COMO ADITIVO PARA PINTURAS ALQUIDICAS A PARTIR DE DESECHOS DE
POLIVINIL BUTIRAL PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA PROVEEDORA DE VIDRIOS DE SEGURIDAD DE LA CIUDAD DE BARRANQUILLA.
NILSON LAINER PADILLA TABORDA ORLANDO ENRIQUE TORRES ACOSTA
Anteproyecto para optar al titulo de Ingeniero Químico.
Director MARIO VARGAS
Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA BERRANQUILLA
2008
2
FICHA TECNICA DEL PROYECTO
Título: Obtención de un agente modificador de la viscosidad como aditivo para pinturas alquidicas a partir de desechos de polivinil butiral provenientes de la industria de vidrios de seguridad la ciudad de Barranquilla. Estudiantes investigadores Nombre: Nilson Lainer Padilla Taborda Telf: 3620643 Correo electrónico: [email protected] Nombre: Orlando Enrique Torres Acosta Telf: 3632947 Correo electrónico: [email protected] Director del Proyecto Nombre: Mario Vargas Correo electrónico: [email protected] Codirector Nombre: Santander Bolívar Correo electrónico: [email protected] Total de Investigadores (número): 3 Nombre del Grupo de Investigación: Línea de Investigación: Química de los polímeros ( pinturas alquidicas) Lugar de Ejecución del Proyecto: Universidad del Atlántico. Ciudad: Barranquilla Departamento: Atlántico. Duración del Proyecto (en meses): 6 meses Tipo de Proyecto: Investigación básica (correlacional y exploratoria) Valor Total del Proyecto: Descriptores / Palabras claves: Polímeros, solventes, pintura alquidicas, esterificación, resinas alquidicas, polivinilbutiral, modificantes. Nombre de la Instancia ante la cual se presenta el Proyecto: Comité de Trabajos de Grado del Programa de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico. Programa Nacional de Ciencia y Tecnología: Investigación en Quimica de los polimeros.
3
TABLA DE CONTENIDO
FICHA TECNICA DEL PROYECTO .................................................................. 2 INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 4 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................... 5 2. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 7
3. OBJETIVOS ........................................................................................ 9 3.1 Objetivo General ............................................................................................. 9 3.2 Objetivo específicos........................................................................................ 9
4. HIPOTESIS........................................................................................ 10 5. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 11 5.1 GENERALIDADES. ...................................................................................... 11 5.2 CLASIFICACIÓN DE LAS PINTURAS ....................................................... 12
5.2.1. Pinturas con base de agua. .................................................................. 12 5.2.2. Pinturas en polvo. ................................................................................. 13 5.2.3. Pinturas con base de solvente........................................................... 13 5.2.4. Pinturas alquídicas.............................................................................. 13
5.3 VIDRIOS DE SEGURIDAD .......................................................................... 16 5.3 POLIVINIL BUTIRAL .................................................................................... 17 6. METODOLOGÍA ........................................................................................ 22 6.1 Tipo de diseño experimental........................................................................ 22
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES................................................. 27 8. PRESUPUESTO ........................................................................................ 28 BIBLIOGRAFIA.................................................................................................... 29
4
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, el problema medioambiental y económico derivado del
aumento de residuos de diversos tipos, determina el profundo interés que
existe hacia todas las actividades relacionadas con la recuperación y
reutilización de los mismos; devolviéndolos a la cadena productiva, de forma
que se utilicen al máximo y no se maltraten de manera significativa los recursos
naturales que son precursores de tales residuos, que en principio fueron
materia prima o parte importante en algún proceso productivo en particular. En
este sentido los polimeros y todos los demás productos que los involucran,
juegan un papel muy importante en la actualidad, ya que son productos de gran
demanda y provienen de un recurso natural no renovable, como el petróleo.
Lo anterior nos lleva a mirar la industria en general como una unidad, en la cual
a través de procesos diseñados cuidadosamente, se obtienen productos
terminados, pero notar que también, a partir de esos mismos procesos se
producen desechos o residuos, los cuales no podemos dejar de observar por el
hecho de ser llamados “desechos”, por el contrario, debemos mirarlos como
nuevas opciones encaminadas a mejorar o a cumplir con los requerimientos de
algún proceso de producción en particular que admita la presencia del
desecho, como parte constitutiva del producto final.
En el tema de reciclar desechos para devolverlos posteriormente a la cadena
productiva investigaciones son muchas y siguen como en este caso,
abriéndose más posibilidades para el desarrollo de nuevas alternativas a la
hora de obtener productos de calidad a partir de materiales reciclados.
5
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las pinturas en general y más aún las alquidicas tienen una demanda
creciente, debido a situaciones como el desarrollo industrial y urbano, que es
cada vez más acelerado. Según estudios realizados por The Freedonia Group,
Inc de Cleveland, USA, la mayor demanda de estas pinturas se presenta en
países desarrollados y en desarrollo1; Colombia al ser un país en desarrollo
entra dentro de los límites del estudio.
La propiedad preponderante de las pinturas alquidicas es la viscosidad, esta
propiedad como las de tiempo de secado, nivelación y tolerancia a solventes de
dilución son las que dan el valor agregado a la pintura; es por esta razón que
los aditivos para ajustar la viscosidad de las pinturas son necesarios en la
formulación de las mismas y se hacen imprescindibles.
Debido a que los aditivos que se encargan de ajustar la viscosidad,
representan un gasto importante en los costos de producción de las pinturas,
constantemente se trata de reemplazar total o parcialmente los aditivos que se
emplean actualmente como modificantes de la viscosidad, por otros más
económicos que cumplan la misma función (ajustar la viscosidad), de igual o
mejor manera que los usados habitualmente, es decir que no afecten las
propiedades físico-químicas de la pintura alquidica que resulta del proceso.
El polivinil butiral (PVB) es un ter-polímero (contiene butiral y grupos hidroxilos
secundarios con una pequeña cantidad de unidades de acetato) al azar con
25% en peso de plastificantes2, que presenta características físico-químicas,
como la solubilidad en alcoholes, específicamente de cadena corta; por esta
razón, los desechos de (PVB) provenientes de la industria proveedora de
vidrios de seguridad de la ciudad de Barranquilla, son una posible fuente para
1 http://www.sater.org.ar/Newsletter.htm. La demanda global de pinturas. Revisado y bajado en junio de 2008. 2 A.K. Dhaliwal, J.N. Hay. The characterization of polyvinyl butyral by thermal analysis. The School of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham, Edgbaston. Received 4 September 2001; received in revised form 15 January 2002; accepted 30 January 2002.
6
obtener soluciones muy viscosas (resinas) que puedan hacer parte de la
formulación de pinturas alquidicas como aditivos modificantes de la viscosidad,
a un costo menor que el de los aditivos actualmente usados.
Observando el alto costo de los aditivos que tienen la función de ajustar la
viscosidad y la posibilidad de reciclar los desechos crecientes de PVB (los
cuales oscilan entre 1 y 1.2 ton/mes) proveniente de la industria manufacturera
de vidrios de seguridad de la ciudad de Barranquilla, el siguiente trabajo
pretende responder al siguiente interrogante:
¿Son las propiedades físico-químicas presentadas por los desechos de polivinil
butiral, resultado del proceso de producción de vidrios de seguridad en SAINT-
GOBAIN de Colombia S.A. planta Barranquilla y demás empresas
pertenecientes a la industria proveedora de vidrios de seguridad de la ciudad,
aptos para desempeñar la función de aditivo modificador de la viscosidad en la
formulación de pinturas alquídicas?
¿Son las propiedades físico-químicas (viscosidad, tiempo de secado, nivelación
y tolerancia a solventes de dilución) presentadas por la pintura alquidica,
producida al adicionar un porcentaje del aditivo obtenido a partir de los
desechos de PVB reciclado, las apropiadas según las normas ASTM
(designación D 16-47) destinada a la definición de pintura?
7
2. JUSTIFICACIÓN
Presentamos este trabajo como una alternativa económica a la producción de
pinturas alquidicas, estudiando la posibilidad de que los desechos de polivinil
butiral (PVB) provenientes de la industria proveedora de vidrios de seguridad
de la ciudad de Barranquilla, teniendo en cuenta sus propiedades físico-
químicas, sean buenos precursores para la producción de un agente que sirva
como aditivo modificador de la viscosidad para este tipo de pinturas.
El PVB y algunos alcoholes como el metanol, etanol, alcohol isopropílico e
isobutílico, presentan propiedades como parámetros de solubilidad semejantes,
que nos llevan a contemplar la posibilidad de obtener mezclas de PVB con los
alcoholes antes mencionados, con viscosidades y propiedades cubrientes
similares a las presentadas por los aditivos espesantes que se utilizan
actualmente en la industria de las pinturas y los recubrimientos, con el fin de
ayudar a la función del ligante de mantener un porcentaje de sólidos en
suspensión, que son los pigmentos, y por otra parte mejorar la aplicabilidad del
producto terminado.
Para la obtención del agente modificador de la viscosidad, el PVB reciclado y el
costo moderado de los alcoholes antes mencionados, que en este caso
cumplirían la función de solventes, hacen que éste sea económicamente
factible debido a que se trata de la valorización de un desecho, que si bien
tiene un valor comercial, es muy bajo en relación al de los precursores de los
aditivos convencionales que provienen de recursos no renovables como el
petróleo, el cual representa un elevado costo debido a las predicciones de
escasez que se esperan en un futuro no muy lejano.
A lo anteriormente expuesto, se suma que el PVB generalmente, tiene en su
estructura 25% de plastificantes3, lo cual hace que pierda cristalinidad y sea
3 A.K. Dhaliwal, J.N. Hay. The characterization of polyvinyl butyral by thermal analysis. The School of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham, Edgbaston. Received 4 September 2001; received in revised form 15 January 2002; accepted 30 January 2002.
8
más fácil de disolver, en solventes que presenten parámetros de solubilidad
semejantes, haciendo aún más factible la idea de producir un agente que sirva
como aditivo modificador de la viscosidad para pinturas alquidicas,
beneficiando no solo a la industria productora de estas pinturas,
económicamente hablando, sino también al medio ambiente por medio del
reciclaje de los desechos de PVB, que cada día son mayores y representan un
peligro potencial para ecosistemas terrestres y marinos.
9
3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo General
Obtención de un agente viscosante para pinturas alquídicas a partir de
los desechos de polivinil butiral reciclados, provenientes de la industria
vidriera de la ciudad de Barranquilla.
3.2 Objetivo específicos
Determinar las condiciones óptimas (solvente, tamaño de partícula y
temperatura) para la obtención del agente viscosante.
Determinar la relación agente viscosante-resina alquidica en la
formulación de la pintura.
Evaluar la calidad de la pintura alquídica obtenida al adicionar el
porcentaje de agente viscosante (determinado por la relación agente-
resina), analizando propiedades como viscosidad, nivelación, tolerancia
a solventes de dilución y tiempo de secado.
10
4. HIPOTESIS
1. Los desechos de polivinil butiral (PVB), provenientes de La industria
proveedora de vidrios de seguridad para automóviles de la ciudad de
Barranquilla, después de un debido pretratamiento (limpiado y lavado), serán
aptos para la obtención del agente viscosante.
2. El agente viscosante obtenido a partir de los desechos de PVB, provenientes
de la industria proveedora de vidrios de seguridad para automóviles de la
ciudad de Barranquilla, será compatible con la resina alquidica (base de las
pinturas alquidicas) hasta una relación máxima en peso de 90-10 de resina-
agente, respectivamente.
3. Las propiedades (viscosidad, nivelación, tolerancia a solventes de
dilución y tiempo de secado), que presentará la pintura alquidica con una
relación 90-10 (resina-agente, respectivamente) en su formulación, serán
iguales o mejores que las propiedades presentadas por la pintura alquidica
utilizando un 100% de resina alquidica.
11
5. MARCO TEÓRICO
5.1 GENERALIDADES. Las pinturas son sustancias naturales o artificiales, generalmente orgánicas,
adecuadas para formar sobre la superficie de un objeto una película
continua y adherente, que le confiera poder protector, decorativo, aislante,
filtrante a determinadas radiaciones, etc. Según las normas ASTM
(designación D 16-47) la pintura es una composición líquida pigmentada,
que se convierte en película sólida y opaca después de su aplicación en
capa fina. En realidad, debe hablarse con más exactitud de películas
«relativamente» opacas, ya que normalmente éstas son algo translúcidas.
Los componentes de las pinturas, se dividen en dos grandes grupos:
- Componentes líquidos: Como el vehículo o emulsionador, que a su vez
consta de un aglutinante y un disolvente.
- Componentes sólidos: Como el ligante, los pigmentos y las cargas.
Pueden llevar, además, secativos y aditivos.
Ampliando lo anterior, los elementos constitutivos de una pintura constan de
una resina, un solvente volátil y un pigmento adecuadamente disperso en
un líquido (solución) compuesto por la combinación de la resina y el
solvente volátil. El compuesto líquido se denomina vehículo y generalmente
se trata de aceites, secantes y aditivos. Los aceites cumplen la función de
ayudar a formar una película protectora y plastificada que permite que los
pigmentos queden fijados en la superficie donde se aplicaron. Así mismo,
algunas resinas sintéticas pueden, en lugar de los aceites, cumplir el papel
de crear la película protectora. Las resinas sintéticas para las pinturas se
pueden elaborar de ácidos grasos, ácidos polibásicos y resinas polihídricas.
12
Para alcanzar las propiedades específicas en un tipo de pintura se requiere
escoger apropiadamente la combinación de pigmentos, difusores y
vehículos siguiendo lo que se conoce como volumen de concentración del
pigmento (PVC), es decir, la participación del volumen del pigmento en el
volumen total de la pintura. En gran medida este indicador sirve para
controlar factores como brillo, reflejo, durabilidad, y comportamiento frente
al lavado.
El desarrollo de pinturas más tecnificadas se ha producido gracias a la
búsqueda de mejoramientos en la facilidad de aplicación, en el secado
rápido, bajo olor, facilidad de limpieza, alta durabilidad e impermeabilidad.
Es así como actualmente el mercado de pinturas a nivel mundial ha
expandido la oferta de pinturas a base de emulsificantes y a base de látex
que cumplen en mayor medida con estos requerimientos.
En su uso final como recubrimientos, las pinturas tienen las siguientes
propiedades en grados variables, dependiendo de la clase y composición de
la misma: buen flujo y nivelación; proporción de aspersión y grosor de
película satisfactorios; secado rápido, alta impermeabilidad, buena
adhesión, flexibilidad y dureza, resistencia a la abrasión y durabilidad.
5.2 CLASIFICACIÓN DE LAS PINTURAS
Las pinturas se pueden clasificar de muchas maneras, pero en general las
pinturas se clasifican en tres tipos: las pinturas con base de agua, las pinturas
en polvo y las pinturas con base de solvente.
5.2.1. Pinturas con base de agua. También conocidas como látex o acrílicas, contienen resinas altamente
polimerizadas como el poliacetato de vinilo (PVA), o un copolímero como una
resina de poliestireno-butadieno, formuladas como emulsiones en agua.
13
5.2.2. Pinturas en polvo.
Tienen en particular una buena duración al utilizarlas a bajas temperaturas y
contienen como ligante una o varias resinas poli(met)acrílicas con grupos libres
de carboxilo y como endurecedores para estas resinas poli(met)acrílicas una o
varias resinas epoxídicas con un peso molecular de hasta 1500, caracterizada,
porque las resinas epoxídicas tienen al menos el 70 % en peso de esteres
glicidílicos, que se eligen de entre los esteres poli-glicidílicos de los ácidos poli-
carboxílicos alifáticos y ciclo-alifáticos.
5.2.3. Pinturas con base de solvente.
Conocidas comúnmente como pinturas de aceite, son las que en su
formulación el disolvente (que junto con la resina va a formar el vehiculo) es de
naturaleza orgánica y se encarga de disolver el aceite o la resina; estas
pinturas usan aceites naturales poli-insaturados (como aceites de linaza) como
parte constitutiva del vehículo. Las resinas sintéticas alquídicas suelen usarse
para sustituir a los aceites naturales.
Las pinturas base de solvente que más se comercializan son las pinturas
alquidicas.
5.2.4. Pinturas alquídicas.
Deben su nombre y propiedades a las resinas que las constituyen, resinas
alquidicas, las cuales tienen gran dureza, buen brillo, resisten agentes químicos
e intemperie y, al combinarse con los aceites, tienen gran flexibilidad; por estas
razones las pinturas alquidicas son de gran importancia en la industria de los
recubrimientos, constituyéndose en una de las de mayor demanda.
Una Resina Alquídica es básicamente un poliéster cuya cadena principal está
modificada con moléculas de ácido graso, las que le otorgan propiedades
particulares. Estas resinas se dividen en: alquidicas puras y alquidicas
modificadas.
14
Alquidicas puras: se define como el polímero formado únicamente por la
combinación del anhídrido ftálico como diácido, glicerina ó pentaeritritol
como polioles y ácidos grasos saturados ó insaturados como
modificantes primarios.
Alquidicas modificadas: así se denomina la resina alquídica en cuya
composición intervienen compuestos diferentes a los que participan en
alquídicas puras, como por ej. polioles y poliácidos especiales,
monoácidos, compuestos fenólicos, epoxídicos, acrílicos, vinílicos,
silicónicos, etc.
Dentro de los modificantes, distinguimos:
* "Primarios"
Los ácidos grasos que modifican la estructura poliéster
* "Estructurales"
Los poli-ácidos y polioles que forman la estructura poliéster y son distintos
del Ftálico, glicerina ó Pentaeritritol
* "Específicos"
Cualquier otro compuesto que se adicione por reacción ó mezcla para
obtener o mejorar propiedades específicas. Ej. Monómeros acrílicos,
siliconas, fenólicas, etc.
Estos “modificantes Específicos” entran en la definición de aditivos, los
cuales son sustancias químicas usadas en la composición de una pintura en
cantidades relativamente pequeñas con el propósito de contribuir con un
beneficio significativo a la facilidad de fabricación, estabilidad de la pintura
en el envase, facilidad de aplicación, mejor la calidad o apariencia de la
película aplicada. Son productos químicos de acción específica que se
añaden a los componentes principales de la pintura, ya citados, en
pequeñas proporciones para conseguir una mejora de calidad, evitar
15
defectos, producir efectos especiales, acelerar el endurecimiento, regular la
viscosidad, etc. Las clasificaciones y funciones principales de los aditivos
son:
Secantes. Promuevan o aceleran el secamiento, curado o endurecimiento
del vehículo.
Anti-nata. Inhiben la formación de nata que se forma cuando un barniz o
pintura son expuestos al aire.
Anti-espumante. Productos usados para controlar espumas indeseables en
la fabricación envasado y aplicación de las pinturas.
Preservativos. Evitan el crecimiento de hongos y bacteria que dan como
resultado la degradación de algunos componentes de la pintura y la
consecuente pérdida de sus propiedades.
Fungicidas. Son extensamente usados para inhibir el crecimiento de
hongos sobre la película de pintura bajo condiciones ambientales.
Coalescentes. Son auxiliares en la coalescencia (fusión) de las partículas
de látex que da como resultado la formación de película.
Espesantes. Son usados para proporcionar consistencia apropiada a la
pintura, impedir el asentamiento de pigmento y favorecer la aplicación de
espesores adecuados de película.
Los más utilizados son:
Humectantes y Dispersantes (Mojantes): Empleados para facilitar la
mojabilidad del pigmento por el ligante, ya que aquellos son
normalmente liófobos.
Antiposos: Los pigmentos y cargas tienen mayor peso específico que el
vehículo fijo y tienden a posarse. Este tipo de aditivos evita la formación
de sedimentos.
Antipiel o agentes antipiel: Las pinturas a base de ligantes de secado
oxidativo pueden llegar a formar piel en el envase debido a que éste
normalmente no se llena totalmente.
16
Mateantes: Se emplean para conseguir barnices o pinturas de aspecto
mate o satinado manteniendo unas buenas propiedades mecánicas de
la película.
Secantes: En las pinturas a base de ligantes se secado oxidativo se
utilizan sales de cobalto, Plomo, Calcio, Zinc, Zirconio y Manganeso
principalmente, como catalizadores de la reacción para acelerar el
secado y endurecimiento del film.
Fungicidas: Algunas resinas por su composición, sirven de alimento a
colonias de bacterias y hongos, lo que puede ocasionar el deterioro de la
pintura, pérdida de viscosidad, putrefacción en el envase, o manchas y
cambios de tonalidad en el producto aplicado. Estos aditivos son
venenosos para las bacterias.
Estabilizantes (estabilizadores de suspensión): Cuya misión es
mantener estable la pintura en el envase hasta su utilización. Los hay de
diferentes tipos como por ejemplo estabilizadores de la viscosidad,
neutralizantes de la acidez del vehículo fijo, antioxidantes, etc.
Plastificantes: Como su nombre indica, actúan plastificando las
películas con el fin de conseguir un buen balance de propiedades
mecánicas y de resistencias a los agresivos. Intervienen en proporciones
bastante altas en algunos tipos de pinturas como las fabricadas con
caucho clorado o vinílicas, donde también ejercen un papel de ligante.
Emulsionante
Nivelantes
Espesantes: Utilizados para regular la viscosidad en las pinturas en
general.
5.3 VIDRIOS DE SEGURIDAD
En la fabricación de los vidrios de seguridad, se toman dos vidrios y en medio
de estos se aplica una capa de polivinil butiral (PVB); es como una especie de
“sándwich” (Figs. 1a y 1b), que por medio de presión y temperatura, al final del
proceso forman un vidrio de apariencia normal. De este proceso, resulta un
desecho de polivinil butiral, que es una parte de la película de polímero que
17
queda en el borde del vidrio de seguridad al final del proceso, y que es retirado
del vidrio y almacenado en bodegas, en el caso de Saint Gobaint de Colombia
S.A. planta Barranquilla.
Figura 1b. Partes del vidrio de seguridad. Tomado de http://www.dupont.com/safetyglass
Figura 2a. vidrio de seguridad. Tomado de [Ivelin V. Ivanov. Analysis, modelling, and optimization of laminated glasses as plane beam. Department of Engineering Mechanics, University of Rousse, Studentska 8, BG-7017 Rousse, Bulgaria]
5.3 POLIVINIL BUTIRAL El PVB es polivinil butiral (polyvinyl butyral), una resina derivada del alcohol
polivinílico [-(CH2-CHOH)n-] en el que se hacen reaccionar grupos OH con n-
butiraldehído formando grupos acetálicos. Básicamente se usa para vidrios en
la industria automovilística y es fabricado por unas pocas compañías. Viene
caracterizado, desde el punto de vista químico, por la longitud de la cadena
18
polivinílica y el contenido de grupos acetálicos. En la Figura 1b se observa la
composición básica de un acristalamiento laminado.4
El PVB contiene entre 20 y 25% en peso de plastificantes5; habitualmente se
utiliza para aplicaciones que requieren fuertes vinculantes, claridad óptica, la
adhesión a muchas superficies, dureza y flexibilidad. Su principal aplicación es
en vidrios laminados de seguridad como parabrisas de automóviles.6
El PVB y algunos alcoholes de cadena corta como el metanol, etanol, alcoholes
isopropílico e isobutílico, presentan propiedades fisicoquímicas como
parámetros de solubilidad semejantes. Esta condición de parámetros de
solubilidad semejantes hace que los alcoholes antes mencionados, sean
capaces de disolver el PVB, pudiendo formar soluciones con viscosidades muy
grandes.
Todo empieza con la densidad de energía cohesiva, la cual representa las
fuerzas entre las moléculas de un líquido que se tienen que vencer, a la hora
de pasarlo a fase vapor, agregando una cantidad de calor determinada (calor
de vaporización); la densidad de energía cohesiva relaciona por consiguiente el
calor de vaporización, la temperatura, el volumen molar y la constante universal
de los gases, de la siguiente forma:
Pero por la imposibilidad de vaporizar los polimeros, el comportamiento de la
solubilidad de estos se estudia haciendo uso del parámetro de solubilidad, que
se define como la raíz cuadrada de la densidad de energía cohesiva; así:
4 TROSIFOL. Production Laminated Safety Glass Automotive. MANUFACTURING / PRODUCTION Laminated Safety Glass AUTOMOTIVE. 5 A.K. Dhaliwal, J.N. Hay. The characterization of polyvinyl butyral by thermal analysis. The School of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham, Edgbaston. Received 4 September 2001; received in revised form 15 January 2002; accepted 30 January 2002. 6 http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_butyral
19
Los parámetros de solubilidad de líquidos se determinan por medio de esta
formula, pero los parámetros de solubilidad de los polimeros y sustancias que
no son vaporizables se determinan por pruebas de laboratorio donde se coloca
en contacto el sólido en estudio, con un solvente que tenga un parámetro de
solubilidad conocido, finalmente se le asigna al material no vaporizable el
parámetro de solubilidad del disolvente que presento mejores características de
disolución.
En la teoría de la solubilidad, han surgido tres tipos de interacciones polares
que son comúnmente usadas, las cuales son: las fuerzas de dispersión,
fuerzas polares y los puentes de hidrogeno. Una ilustración de esta
característica se muestra en la Figura 2, la cual se basa en el modelo de tres
dimensiones de los parámetros de solubilidad de Hansen.
Figura 2. The Hansen volume of solubility for a polymer is located within a 3-D model by giving the coordinates of the center of a solubility sphere (∂d, ∂p, ∂h) and its radius of interaction (R).
Charles Hansen utilizó este modelo tridimensional para graficar la solubilidad
de polímeros7. Él encontró que, duplicando el eje del parámetro de dispersión,
aproximadamente un volumen esférico de solubilidad se formó para cada
polímero. Este volumen, al ser esférica, se puede describir de forma sencilla
(Figura 2): las coordenadas en el centro de la esfera de solubilidad se
encuentran por medio de los tres parámetros (∂d, ∂p, ∂h), y el radio de la
esfera esta indicado por el llamado radio de iteración (R). Los parámetros de
7 John Burke. Solubility Parameters: Theory and Application. The Book and Paper Group ANNUAL. Volume three. The American Institute for Conservation . 1984
20
Hansen y radio de iteración para el PVB y los alcoholes antes mencionados
son:
PVB metanol etanol isobutanol ∂d 18.6 15.1 15.8 15.1 ∂p 4.4 12.3 8.8 5.7 ∂h 13 22.3 19.4 16 R 10.6
Este método de tres dimensiones considera los tres tipos de interacciones
polar, dispersión y puentes de hidrogeno, distribuidas en los ejes coordenados,
como lo muestra la Figura 2. Los tres tipos de interacciones son característicos
de cada sustancia en particular y forman en conjunto un punto en el espacio;
este punto es que nos va a decir que solventes están en capacidad de disolver
tales polimeros en específico, ya que se hace uso de la esfera que forman los
polimeros en el espacio, como se menciono anteriormente. Si el punto queda
dentro de proyección de la esfera en un plano entonces el solvente es
apropiado para el disolver el polímero.
El grafico usado para este fin, es una proyección en un plano de la esfera que
forma el polímero, considerando en este plano solamente los parámetros
polares y de puentes de hidrogeno; como lo muestra la Figura 3, la cual incluye
la ubicación en el plano de algunos solventes característicos y las areas
correspondientes al PVB.
21
Figura 3. Hansen graph of solubility areas for polyvinyl acetate (PVA), poly(vinyl butyral) (PVB), and poly(vinyl chloride). This type of graph uses only two of the three Hansen parameters.
En la Figura 3 podemos ver que el etanol y el alcohol isopropílico, están dentro
del área de solubilidad del PVB y por otra parte el metanol aunque fuera esta
muy próximo al limite de esta área.
Un dato a tener en cuenta en la búsqueda de nuevas alternativas de materiales
reciclados es, The Waste & Resources Action Programme es un programa que
promueve la eficiencia de los mercados de materiales desarrollados por fuentes
reciclables. A partir de plásticos reciclados, se han desarrollado productos que
encuentran gran aplicación: fabricación de puertas, separadores, muebles,
barandas, plataformas de pesca, vallado, embarcaderos, etc.8
Con el proposito de mostrar en que consiste la investigación y experimentación
en el interes de obtener el aditivo modificador de la viscosidad, presentamos la
siguiente metodología.
8 Recycled Plastic: Exploring the opportunities in the Landscaping Sector [online], WRAP/Waste & Resources Action Programme. Marzo de 2004. www.wrap.org.uk/plastics/landscaping
22
6. METODOLOGÍA
El primer paso a seguir es la recolección del material desechado, Polivinil
Butiral, en diferentes empresas vidrieras de la ciudad de Barranquilla,
especialmente la empresa Saint Gobain de Colombia S.A., ubicada en la zona
franca de la ciudad de Barranquilla.
El segundo paso es la etapa de lavado y secado del material con el fin de
eliminar los contaminantes superficiales que puedan existir, para
posteriormente cortarlos y proceder a mezclarlo con los diferentes solventes.
El cuarto paso es formular un diseño de experimentos, el cual será la guía
para definir el número mínimo de ensayos necesarios para obtener tamaño de
partícula, el solvente y la temperatura óptima para obtener el agente
viscosante.
6.1 Tipo de diseño experimental En este caso vamos a utilizar el método de diseños factoriales, para la
obtención del agente viscosante, debido a que nos permite realizar
observaciones de todas las posibles combinaciones de niveles (tratamiento) de
manera que se obtiene resultados imprescindibles.
Tabla 1. Factores a estudiar
VARIABLES
DEPENDIENTES
VARIABLES
INDEPENDIENTES
DIMENSIONES
CARACTERISTICAS
TÉCNICAS E
INSTRUMENTOS DE
MEDICIÓN
Temperatura ºC Termometro
Tamaño de partícula mm Regla o cinta metrica
solventes NA probetas
viscosidad Viscosímetro de Gardner
23
Este experimento consta de tres factores, los cuales son la temperatura, el
tamaño de partícula y el solvente a utilizar. A continuación se muestran los
niveles de cada factor.
Temperatura: 2 niveles. (Alta y baja). Aproximadamente 70ºC y 40ºC.
Tamaño de partícula: 2 niveles. Partículas de 3 y 5mm.
Solvente: 4 niveles. (Metanol, etanol, Isopropanol e Isobutanol). Existe la
posibilidad de incluir otros niveles, dependiendo de los resultados que arrojen
los niveles principales. Con respecto a los alcoholes la experimentación contará
con 2 etapas, una inicial en la que se utilizará metanol y etanol y una 2º etapa
en la que se utilizaran los alcoholes isopropílico e isobutílico.
Como se mencionó anteriormente, la experimentación se llevará a cabo en dos
etapas, en cada etapa se tendrán dos tipos diferentes de alcohol; siguiendo con
lo anterior, y aplicando la definición del diseño, se realizarán 2k = 23 = 8
corridas, donde k es el número de factores en este caso 3. Se realizará una
réplica de cada corrida por lo que la experimentación implica realizar de 8 x 2=
16 ensayos más 4 corridas, para un total por etapa de 20 ensayos; como son
dos etapas, tenemos un total de 40 ensayos.
FACTORES NIVEL MINIMO NIVEL MÁXIMO
A: Temperatura ºC. 40 70
B: Tamaño de partícula
mm . 3 5
C: solventes metanol etanol
Tabla 2a. Factores y niveles del diseño experimental primera etapa.
24
FACTORES NIVEL MINIMO NIVEL MÁXIMO
A: Temperatura ºC. 40 70
B: Tamaño de partícula
mm . 3 5
C: solventes Alcohol isopropílico Alcohol isobutílico
Tabla 2b. Factores y niveles del diseño experimental segunda etapa.
El análisis de la respuesta de interés (viscosidad), se realizará mediante el
análisis de la varianza (ANOVA). La viscosidad del agente va a ser medida con
un viscosímetro de GARDNER.
La Tabla 3 muestra los ensayos del diseño. Las casillas en blanco indican el
valor actual de la variable. El primer ensayo, por ejemplo, se efectúa con todos
los factores en sus niveles más bajos. En las demás corridas se variarán el
orden de los niveles de los diferentes factores. El experimento es ortogonal, lo
que quiere decir, que, el efecto de un factor no está distorsionado por los
efectos de los otros factores. Lo anteriormente dicho se comprueba cambiando
la notación de los niveles bajo y alto (1 y 2) por los valores -1 y 1
respectivamente. La comprobación de que los factores A y B son ortogonales
se demuestra aplicando la notación descrita anteriormente, multiplicando las
filas correspondientes a los dos factores y obteniendo la suma de todos los
productos. Si la suma se anula, las columnas son ortogonales y los efectos
representados por esas columnas, son ortogonales. El efecto anterior se
define como el cambio que experimenta la respuesta cuando el factor varía de
su nivel bajo a su nivel alto9 así:
Efecto de A= [Promedio de las respuestas debajo de la columna A en (2)]-
[Promedio de las respuestas debajo de la columna A en (1)]
Los efectos de los factores B y C se estiman análogamente.
9 PONS MURGUIA, Ramón. Diseño de experimentos. Barranquilla, 2000 Documento 1. Monografía (Ingeniero Químico). Universidad del Atlántico,
Universidad de Cienfuegos, cuba.
25
La primera columna de la tabla 3 lista el orden aleatorio de ejecución como se
van realizar realmente las corridas. La segunda columna ofrece el número del
ensayo como se lista en la forma estándar. La tercera columna muestra los
valores que se observan en la respuesta. Las demás columnas muestran las
interacciones entre los diferentes niveles de cada factor y también que valores
deben ser utilizados para calcular los promedios.
Tabla 3a. Matriz de diseño experimental, primera etapa.
ORDEN ORDEN A B C AB AC BC ABC
ALEATORIO ESTÁNDAR RESPUESTA DE LAS DE LAS Corridas corridas
VISCOSIDAD 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 4 1 7 2 5 3 8 4 3 5 2 6 6 7 1 8
Total
Numero de valores
Promedio
Efectos
Tabla 3b. Matriz de diseño experimental, primera etapa.
ORDEN ORDEN A B C AB AC BC ABC ALEATORIO ESTÁNDAR RESPUESTA
DE LAS DE LAS Corridas corridas
VISCOSIDAD 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 4 1 7 2 5 3 8 4 3 5 2 6 6 7 1 8
Total
Numero de valores
Promedio
Efectos
26
A continuación se muestra un esquema a mano alzada del reactor que se
utilizará en los experimentos:
El reactor es enchaquetado y tiene un volumen aproximado de 10 litros, esta
diseñado con agitador de dos aspas corredizas, para variar la distancia entre
las aspas, el diseño también incluye 4 deflectores; el modelo de agitación
permite una acción axial y radial. Como fluido de calentamiento se utilizara
agua o un aceite. Para efecto del desarrollo de los experimentos, el reactor se
llenará hasta un volumen de 6 litros en cada una de las corridas.
27
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Actividad Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6 Revisión bibliográfica (obtención de información)
X X X X X X
Diseño Estadístico del Experimento (DEE)
X
Recibimiento de la materia prima (muestras de PVB)
X X
Preparación de la materia prima.
X
Desarrollo de los experimentos (implementación del DEE)
X X X
Análisis de propiedades físico- químicas y compatibilidad
X X X
Informe de resultados y Conclusiones
X X
28
8. PRESUPUESTO
Concepto Unidad Cantidad Total Transporte local $208.000/mes 6 meses $1.248.000 PVB (reciclado) Donado - - Metanol (calidad comercial) $ 5737/lt 20lt $ 114747 Etanol(calidad comercial) $ 5085/lt 20lt $101700
Alcohol isopropílico (calidad comercial)
$ 6234/lt 20lt $124680
Alcohol isobutílico (calidad comercial)
$ 6543/lt 20lt $130860
Materias primas
Resina alquidica
Internet $60.000/mes 4 meses $ 240.000
Copias $ 50 c/u 150 uds $ 7500
Impresión $ 100 c/u 800 $ 80000
Consultas
Visitas $52.000/mes 6 meses $ 312.000 Reactor Donado - - Termómetros $ 30.000 c/u 3 uds $ 90.000
Bisturí $ 1000 c/u 4 uds $ 4000
Materiales y equipos
Mechero $ 45.000 c/u 1 $ 45.000 Total $2.498.487
29
BIBLIOGRAFIA
http://www.sater.org.ar/letter4.htm#4%20-%20INFO ("Actualidad de la
tecnología en recubrimientos").
http://www.quiminet.com.mx/art/industrias_sector_pint.php (“Glosario de
términos relacionados con la pintura y los recubrimientos”).
http://www.platayluz.com.ar
A.K. Dhaliwal, J.N. Hay. The characterization of polyvinyl butyral by
thermal analysis. The School of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham, Edgbaston, P.O. accepted 30 January 2002.
KEITH D. WEISS. PAINT AND COATINGS: A MATURE INDUSTRY IN TRANSITION. Russell J. Gray Technical Center, Grace Incorporated, 88-11th Avenue N.E., Minneapolis, MN 55413, U.S.A.
John Burke .Solubility Parameters: Theory and Application. The Book and Paper Group ANNUAL. The American Institute for Conservation. Volume Three. 1984. (disponible on line).
Top Related