Desarrollo de productos de alto valor agregado

Dr. Gregorio Vargas

Desarrollo de productos de alto valor agregado

CONTENID

O

1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................1

2. OBJETIVO...........................................................................................................................................2

3. RESULTADOS ESPERADOS............................................................................................................2

4. ANTECEDENTES...............................................................................................................................3

5. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................................................5

6. METODOLOGÍA................................................................................................................................5

7. IMPACTOS POTENCIALES..............................................................................................................6

7.1. Científico……………………………………………………………………………………………………………………………………………6

7.2. Tecnológico……………………………………………………………………………………………………………………………………….6

7.3. Impacto social……………………………………………………………………………………………………………………………………6

7.4. Impacto económico…………………………………………………………………………………………………………………………..6

7.5. Impacto ambiental…………………………………………………………………………………………………………………………….7

7.6. Mercados y usuarios específicos………………………………………………………………………………………………………..7

8. REFERENCIAS...................................................................................................................................7

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1. INTRODUCCIÓN

Los recientes avances en la nanociencia y la nanotecnología han llevado al desarrollo

de dispositivos y componentes miniaturizados basados en materiales poliméricos. Estos

componentes y dispositivos poliméricos están sujetos a daños en la superficie en el

rango de nanoescala. Dado que las propiedades superficiales de los polímeros pueden

ser diferentes, las técnicas que se centran en daños en la superficie a nanoescala se

han correlacionado con las características del material y rugosidad de la superficie de

las resinas epoxi, policarbonato, y polimetilmetacrilato. En muchos casos, las películas

y recubrimientos poliméricos con fines de protección y decoración, serán sometidos a

desgaste o arañazos en cargas ligeras que resulta en daño a la superficie a escala

nanométrica. La tasa de desgaste, una medida de la resistencia al desgaste, necesita

generalmente ser minimizado [1] y [2].

En los últimos años, estos recubrimientos se han mostrado prometedores para la

prevención de la corrosión y propiedades resistentes al desgaste y gran número de

nuevos desarrollos se ha convertido en lo más importante de macro aplicaciones, a las

de nivel nano. Tras el repaso de los aspectos fundamentales que subyacen a los

procesos de recubrimiento, los trabajos analizan en detalle sobre el período distinto de

aleación de níquel electrolítico, chapado nano, técnicas de baño, preparación,

caracterización, nuevo mecanismo de depósito y aplicaciones recientes, incluyendo

breves notas sobre el sustrato difícil y el tratamiento de residuos para hacer un medio

ambiente verde [3].

Protección de los componentes metálicos por recubrimientos de óxido o de cerámica

metálicos ha demostrado ser no sólo una forma efectiva para reducir el desgaste y la

corrosión, sino también una alternativa costosa. Revestimientos de polímero han

recibido cada vez más atención para la protección contra la corrosión y el desgaste a

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varias condiciones ambientales, principalmente en las industrias automotriz,

petroquímica, petróleo y gas. Los recubrimientos poliméricos exhiben propiedades

tribológicas destacados como coeficientes de fricción bajos y alta resistencia al

desgaste [4]. La tecnología de pulverización térmica se puede aplicar con éxito en

recubrimientos de polímeros a una amplia gama de diferentes materiales de sustrato en

varios espesores. Polímeros térmicamente rociados tienen el potencial de reducir los

costes de material, mientras se mejora el rendimiento del revestimiento de protección

de la superficie contra la fricción, la corrosión y productos químicos agresivos [5]. Un

estudio comparativo se llevó a cabo para evaluar el desempeño de algunos polímeros

termoplásticos y derivados de hidrocarburos depositados sobre acero de bajo carbono

por la tecnología de proyección térmica. Se realizaron diversas pruebas para evaluar

los recubrimientos obtenidos principalmente relacionados con el desgaste y el

rendimiento anticorrosivo. De los resultados obtenidos se puede afirmar que los

polímeros utilizados tienen un excelente rendimiento en las pruebas de desgaste y

corrosión que prometen ser una solución muy eficaz para aplicaciones en la solución de

estos problemas [6].

2. OBJETIVO

Elaborar un polímero económico con adición de nanopartículas metálicas para mejorar

las propiedades de recubrimiento y desgaste cuando los materiales están sometidos a

fricción, ralladuras o condiciones ambientales diversas por los procesos en los que son

utilizados.

3. RESULTADOS ESPERADOS

1. Prototipos de materiales poliméricos resistentes al desgaste

2. Patente de producto

3. Patente de proceso

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4. ANTECEDENTES

Varios tipos de polímeros han sido pulverizado térmicamente principalmente por llama y

plasma técnicas de pulverización como fluoropolímero, fluoruro de polivinilideno (PVDF)

, etileno clorotrifluoroetileno (ECTFE), alcano perfluoroalcoxi (PFA) propileno

perfluoroetileno fluorado (FEP)  [7] y [8] , poli-éter-éter-cetona (PEEK) termoplástico [9]

y el tereftalato de polietileno (PET)  [10]. Revestimientos de alta calidad pueden ser

producidos por estas técnicas, y el rocío de baja presión de la llama es el proceso más

rentable y físicamente portátil para termoplásticos. Revestimientos de polímero tienen

un gran potencial para mejorar el rendimiento de las superficies de metales ligeros o

pesados [8] y [11] .

Ensayos de tipo desgaste tradicionales, que se centran en las propiedades a granel,

podría no ser apropiado para evaluar las propiedades de la superficie de los

polímeros. El advenimiento de los microscopios de sonda de barrido de nuevo

desarrollo y dispositivos de detección de profundidad que utilizan una punta afilada se

desliza sobre una superficie para simular un solo contacto aspereza ha hecho posibles

técnicas de caracterización, tales como nanoscratching, que son lo suficientemente

sensibles para examinar las propiedades de la superficie para el estudio de fenómenos

interfaciales a pequeña escala y ligeras cargas. Un montón de oportunidades de

investigación existentes en la exploración de la relación entre los fenómenos

observados daños nanoscratch y propiedades de los materiales, así como otros

parámetros externos [12].

Se han preparado las siguientes formulaciones de recubrimiento por dispersión de 5%

en peso de nanopartículas en la emulsión de acrílico:

Nanopartículas de ZnO (2,5 g) se añadieron a 95 g de emulsión acrílica, que consistía

en 50% de sólidos. La dispersión se logra mediante la adición de agente dispersante no

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iónico 0,5% (Trycol 5952) y por agitación mecánica durante 3 h seguido de

ultrasonicación durante 10-15 min. Ultrasonidos se realizó en un baño frío (es decir,

agua a temperatura ambiente) en 35% de la amplitud usando un procesador de

ultrasonidos. El recubrimiento secado, contenía un 5% en peso de nanopartículas [13].

Trycol 5952 es un alcohol alifático etoxilado CH3 (CH2)8 CH2O (CH2CH2O)6 H: O

(CH2CH2O)6 siendo H el resto hidrófilo y CH3 (CH 2)8CH 2  el resto hidrófobo. El resto

hidrófilo es compatible con las nanopartículas y el resto hidrófobo es compatible con

recubrimiento de polímero acrílico. Por lo tanto, en teoría, el agente dispersante ayuda

a mejorar la mezcla de las nanopartículas en la resina acrílica.

Del mismo modo, TiO2 nanopartículas (5% en peso) se añadieron a la emulsión de

acrílico. Se repitió el procedimiento utilizado para la dispersión de partículas de óxido de

zinc. Además, 5% en peso RM Hombitec 220 de grado de TiO 2 se añadieron

nanopartículas a la emulsión de acrílico usando el mismo proceso. Anticipando que los

revestimientos acrílicos nanopartículas embebidas seleccionados, desde revestimientos

acrílicos aseadas son durables y ampliamente utilizados. La adición de 5% en peso de

nanopartículas de hecho puede mejorar la durabilidad y resistencia. Los sistemas de

recubrimiento desarrollados pueden aplicarse a diversos sustratos como PP, PET,

nylon utilizado en paño de la vela, toldos, carpas, tejidos arquitectónicos, interiores de

automóviles, embarcaciones y muchos otros artículos que están expuestos a la luz del

sol durante largos periodos de tiempo [14] y [15].

Recubrimiento de níquel no electrolítico es el más ampliamente aceptado en la

aplicación de ingeniería debido a sus características únicas, incluyendo la corrosión

excelente, desgaste y resistencia a la abrasión, la ductilidad, la lubricación, soldadura, y

las propiedades eléctricas. Estos recubrimientos son más uniformes en espesor de los

recubrimientos de níquel galvánico. Los baños de galvanoplastia para electrolítico de Ni

se componen principalmente de sulfato de níquel (fuente de Ni), hipofosfato de sodio

(agente reductor), y productos químicos para evitar la precipitación de hidróxido de

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níquel insolubles. Se operan a aproximadamente 85 º C y pH se mantiene en el rango

ácido para estabilidad del baño, pero la generación de hidrógeno disminuye el pH; para

evitar esto, se añaden por lo general sales alcalinas de Na y K o iones de amonio [16] y

[17].

Con el fin de mejorar la fricción y el desgaste comportamiento de los materiales

poliméricos, un concepto típico es el de reducir su adhesión al material de contrapartida

y para mejorar su dureza, rigidez y resistencia a la compresión. Esto se puede lograr

con éxito mediante el uso de materiales de carga especiales. Para reducir la

adherencia, lubricantes internos tales como politetrafluoroetileno (PTFE) y escamas de

grafito se incorporan con frecuencia. Uno de los mecanismos de la correspondiente

reducción en el coeficiente de fricción es la formación de una película de PTFE de

transferencia en la superficie de la contraparte [18]. 

5. JUSTIFICACIÓN

Generalmente muchos materiales usados en la industria automotriz, metalúrgica o de

pinturas se buscan recubrimientos con resistencia al desgate, esta función la han

cumplido durante un largo tiempo los polímeros, pero se sabe que al utilizarlos se

aumenta el costo de los productos ya que estos recubrimientos son de características

especiales, por ejemplo resistentes al desgaste, por lo que se busca realizar un

polímero que cubra esta función disminuyendo los costos empleando un método

sencillo para su fabricación lo cual contribuirá a la economía de los materiales que

necesitan ser recubiertos, alargando el tiempo de vida y asegurando la eficiencia de su

función. Para realizar lo propuesto se deberán determinar las mejores condiciones de

fabricación del polímero, así como la adición correcta de nanopartículas y un buen

método de homogenización que lleve a obtener la mejor formulación que refleje un

aumento en la resistencia al desgaste de dichos materiales.

6. METODOLOGÍA

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Para el cumplimiento de los objetivos planteados se deberán realizar las siguientes

actividades:

Se deberá hacer una caracterización de las nanopartículas y el polímero empleados

para conocer sus características físicas y químicas que pueden ayudar a predecir el

comportamiento ante diferentes condiciones. Luego de esto se deben elegir los

métodos y equipos a utilizar para fabricar el polímero con resistencia al desgaste,

considerando siempre los antecedentes de la información científica, tecnológica e

industrial. Esto contribuirá en la elección de las mejores condiciones que lleven a un

futuro promisorio para lograr los objetivos propuestos, además de verificar si se está

llegando a la innovación del producto para el posterior registro de la propiedad

intelectual.

Para el proceso de fabricación del polímero se deberá investigar un método sencillo que

permita una mezcla homogénea, además se debe encontrar una técnica eficiente para

depositar el recubrimiento en los materiales y así poder realizar recomendaciones o

establecer especificaciones de uso del producto [19].

El producto se someterá a diversas condiciones como altas temperaturas, exposición al

sol y condiciones ambientales propias del lugar, para observar su desgaste natural,

también se realizarán pruebas scratch para verificar la resistencia del recubrimiento

polimérico nanoformulado [20] y [21].

7. IMPACTOS POTENCIALES

7.1. Científico

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Las investigaciones acerca de la mejor formulación para polímeros con resistencia al

degaste son continuas, las formulaciones con nanomateriales se han investigado

también, sin embargo es necesario continuar los estudios para mejorar características

de los métodos de fabricación.

7.2. Tecnológico

Un polímero con resistencia al desgaste permitirá alargar el tiempo de vida útil de otros

productos sometidos al constante desgaste ya sea de condiciones ambientales, o bien

por los procesos a los que están sometidos.

7.3. Impacto social

Se pueden crear nuevos empleos, ya que al investigar las mejores condiciones de uso

de los polímeros se puede capacitar personal especializado para la aplicación de

recubrimientos y una vez que esto suceda pueden ir a realizar recomendaciones a las

industrias interesadas, lo cual se concretaría en la creación de una empresa asesora

que genere ingresos económicos para varias personas.

7.4. Impacto económico

El proceso de fabricación que se propone, será de bajo costo lo que contribuirá a la

disminución de productos comerciales que requieran de recubrimientos con resistencia

al desgaste, mejorando la economía social y ambiental.

7.5. Impacto ambiental

En este tiempo es común encontrar que gran cantidad de productos son desechables,

también se ha presentado actualmente la actitud social consumista, se va comprando lo

innecesario o bien si los objetos llegasen a presentar algún pequeño daño son

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desechados, lo que genera gran cantidad de basura, que al paso del tiempo contribuye

a la obstrucción de coladeras, generación de emisiones por la descomposición y hasta

daños a la salud. El uso de los recubrimientos resistentes al desgaste ayudará a

prolongar el tiempo de vida algunos productos lo que se traduce en la disminución de la

basura generada y todos los problemas antes mencionados los cuales generan

impactos negativos al medio ambiente y la sociedad en general. También se disminuirá

el desecho de materiales poliméricos que se propagan en el suelo modificando su uso y

propiedades [18] y [22].

7.6. Mercado y usuarios específicos

Industria automotriz para el recubrimiento de pintura o componentes de los autos,

metal-mecánica para recubrir piezas expuestas a fricción y evitar desgastes, cerámica

para aumentar tiempos de vida útil, fabricantes de plásticos para evitar desgastes, etc.

8. REFERENCIAS

[1] J. S. S. Wong, H. J. Sue, K. Y. Zeng, R. K. Y. Li y Y. W. Mai, Scratch damage of polymers in nanoscale, Acta Mater 52 (2004) 431–443.

[2] M. Wong, G. . Lim, a Moyse, J. Reddy y H. J. Sue, A new test methodology for evaluating scratch resistance of polymers, Wear 256 (2004)1214–1227.

[3] J. Sudagar, J. Lian y W. Sha, Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings – A critical review, J Alloys Compd 571 (2013) 183–204.

[4] a Dasari, Z. Yu yY. Mai, Nanoscratching of nylon 66-based ternary nanocomposites, Acta Mater 55 (2007) 635–646.

[5] K. Friedrich, Z. Zhang y a Schlarb, Effects of various fillers on the sliding wear of polymer composites, Compos Sci Technol 65 (2005) 2329–2343.

[6] C. R. C. Lima, N. F. C. de Souza y F. Camargo, Study of wear and corrosion performance of thermal sprayed engineering polymers, Surf Coatings Technol 220 (2013)140–143.

[7] E. Leivo, T. Wilenius, T. Kinos, P. Vuoristo y T. Mäntylä, Properties of thermally sprayed fluoropolymer PVDF, ECTFE, PFA and FEP coatings, Prog Org Coatings 49 (2004) 9–73.

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Desarrollo de productos de alto valor agregado

[8] L. T. Duarte, E. M. Paula e Silva, J. R. . Branco y V. F. . Lins, Production and characterization of thermally sprayed polyethylene terephthalate coatings, Surf Coatings Technol 182 (20014) 261–267.

[9] G. Zhang, H. Liao, H. Yu, S. Costil, S. G. Mhaisalkar, J. M. Bordes y C. Coddet, Deposition of PEEK coatings using a combined flame spraying–laser remelting process, Surf Coatings Technol 201 (2006) 243–249.

[10] G. Zhang, W. Y. Li, M. Cherigui, C. Zhang, H. Liao, J. M. Bordes y C. Coddet, Structures and tribological performances of PEEK (poly-ether-ether-ketone)-based coatings designed for tribological application, Prog Org Coatings 60 (2007) 39–44.

[11] H. Jiang, R. Browning, y H. J. Sue, Understanding of scratch-induced damage mechanisms in polymers, Polymer Guildf 50 (2009) 4056–4065.

[12] M. D. Kriese, D. A. Boismier, N. R. Moody y W. W. Gerberich, Nanomechanical fracture-testing of thin ® lms 61 (1998).

[13] M. Said, B. Dingwall, Gupta, M. Seyam, G. Mock y T. Theyson, Investigation of ultra violet (UV) resistance for high strength fibers, Adv Sp Res 37 (2006) 2052–2058.

[14] P. Katangur, P. K. Patra y S. B. Warner, Nanostructured ultraviolet resistant polymer coatings, Polym Degrad Stab 91 (2006) 2437–2442.

[15] B. Mahltig, H. Böttcher, K. Rauch, U. Dieckmann, R. Nitsche y T. Fritz, Optimized UV protecting coatings by combination of organic and inorganic UV absorbers, Thin Solid Films 485 (2005) 108–114.

[16] P. Sahoo y S. K. Das, Tribology of electroless nickel coatings – A review, Mater Des 32 (2011) 1760–1775.

[17] S. Kirsch, A. Pfau, T. Frechen, W. Schrof, P. Pf y D. Francke, Scrub resistance of highly pigmented paints A study on abrasion mechanisms of different scrub techniques 43 (2001) 99–110.

[18] I. A. Blanchet y I. E. Kennedy, Sliding wear mechanism of pol ~ etra ~ uoroethylene ( PTFE ) and PTFE composites 153 )1992) 229–243.

[19] P. Additives, Additives improve scratch resistance in automotive applications (2009) 10–14.

[20] J. Luo, J. J. Lannutti y R. R. Seghi, Effect of filler porosity on the abrasion resistance of nanoporous silica gel/polymer composites, Dent Mater 14 (1998) 29–36.

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Desarrollo de productos de alto valor agregado

[21] S. K. Sinha, W. L. M. Chong y S.-C. Lim, Scratching of polymers—Modeling abrasive wear, Wear 262 (2007) 1038–1047.

[22] B. a. Krick, J. J. Ewin, G. S. Blackman, C. P. Junk y W. Gregory Sawyer, Environmental dependence of ultra-low wear behavior of polytetrafluoroethylene (PTFE) and alumina composites suggests tribochemical mechanisms, Tribol Int 51 (2012) 2–46.

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