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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

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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: npadillataborda@hotmail.com Nombre: Orlando Enrique Torres Acosta Telf: 3632947 Correo electrónico: oeta611@hotmail.com Director del Proyecto Nombre: Mario Vargas Correo electrónico: mvargas@hotmail.com Codirector Nombre: Santander Bolívar Correo electrónico: santanderbolivar@hotmail.com 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.

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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

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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.

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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.

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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?

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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).