DESARROLLO DE UN ESMALTE COSMETICO AROMATIZADO A PARTIR DE ...

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DESARROLLO DE UN ESMALTE COSMETICO AROMATIZADO A

PARTIR DE LA OBTENCION DE UNA RESINA DE NITROCELULOSA QUE IMPARTA LAS MEJORES PROPIEDADES

AL PRODUCTO

MONICA CORREDOR BASTIDAS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTA D.C.

2006

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DESARROLLO DE UN ESMALTE COSMETICO AROMATIZADO A PARTIR DE LA OBTENCION DE UNA RESINA DE

NITROCELULOSA QUE IMPARTA LAS MEJORES PROPIEDADES AL PRODUCTO

MONICA CORREDOR BASTIDAS

Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniera Química

Asesor GABRIEL CAMARGO

Ingeniero Químico

Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química Bogota D.C.

2006

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1. TABLA DE CONTENIDOS

1. TABLA DE CONTENIDOS ....................................................................................................... 3 1.1 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES .................................................................................................... 5 1.2 ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................................ 5 1.3 ÍNDICE DE GRÁFICOS ............................................................................................................ 5

2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 6 3. OBJETIVOS............................................................................................................................ 7

3.1 OBJETIVO GENERAL: ..................................................................................................... 7 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ............................................................................................... 7

4. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO............................................................................................. 8 5. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 11

5.1. ESMALTES COSMÉTICOS .................................................................................................... 11 5.2. SISTEMA BASE CON PROPIEDADES SUSPENSORAS................................................................. 12

5.2.1. Resinas Modificantes................................................................................................ 12 5.2.2. Plastificantes............................................................................................................ 13 5.2.3. Disolventes .............................................................................................................. 14 5.2.4. Diluyentes................................................................................................................ 14 5.2.5 Agentes de Suspensión............................................................................................. 15

5.3. SISTEMA COLOR ............................................................................................................... 16 6. DESARROLLO DE ESMALTES COSMÉTICOS ................................................................. 18

6.1. DESARROLLO DE UN SISTEMA DISOLVENTE REDUCTOR DE VISCOSIDADES................................. 19 6.1.1. Resultados del Desarrollo de Sistemas SDRV............................................................ 21

6.2. DESARROLLO DE UN SISTEMA COMPLET O ............................................................................. 26 6.2.1 Valor de los porcentajes en masa de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 28 6.2.2 Resultados de Secado al tacto de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 29 6.2.3 Resultados de Secado Fondo de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 30 6.2.4 Resultados de Viscosidad de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................................. 31 6.2.5 Resultados de % de Sólidos de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 32 6.2.6 Resultados de % de Adherencia de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 33 6.2.7 Resultados de Brillo de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF......................................................................................................................................... 34 6.2.8 Resultados de Costos de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................................. 35 6.2.9 Resultados Finales de la Matriz de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF................................................................................................................. 36

7. ANALISIS DE RESULTADOS ................................................................................................ 37 9. CONCLUSIONES.................................................................................................................. 48 10. ANEXOS............................................................................................................................. 49

10.1. OBTENCIÓN DE LA NITROCELULOSA ................................................................................... 49 10.2. REOLOGÍA Y AGENTES DE SUSPEN SIÓN .............................................................................. 49

10.2.1. Viscosidad de fluidos poliméricos ............................................................................ 50 10.3 DETERMINACIÓN DE ESMALTES PATRÓN .............................................................................. 54

10.3.1. Determinación del Patrón para el Sistema Base (PSB).............................................. 54

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10.3.2 Punto de ebullición ................................................................................................. 55 10.4 HOJAS DE SEGURIDAD....................................................................................................... 56 10.4.1 HOJA DE SEGURID AD DE ACET ATO D E ETILO ..................................................................... 57 10.4.2 HOJA DE SEGURID AD DE ACET ATO D E BUTILO ................................................................... 58 10.4.3 HOJA DE SEGURID AD DE XILENO ...................................................................................... 59 10.4.4 HOJA DE SEGURID AD DE TOLUENO ................................................................................... 60

11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................... 61 NOMENCLATURA .................................................................................................................... 62

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1.1 Índice De Ilustraciones Ilustración 1 Pasos para la determinación del proyecto......................................................................... 9 Ilustración 2 Composición del Barniz Cosmético................................................................................ 11 Ilustración 3 Esterificación de la Celulosa como Nitrocelulosa............................................................. 49 Ilustración 4 Elemento Cúbico bajo un Esfuerzo de Corte causado por una Fuerza F................................ 50 Ilustración 5 Viscosidad de Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. ..................................................... 51 Ilustración 6 Construcción de Secantes y Viscosidad Aparente.............................................................. 51 Ilustración 7 Dependencia de la Viscosidad de Fluidos no Newtonianos de la Tasa de Corte...................... 52 Ilustración 8 Dependencia de los Esfuerzos de Deformación de Fluidos Bingham Newtonianos con Tasas de Corte Aplicados........................................................................................................................... 53 Ilustración 9 Viscosidad de Fluidos Bingham Newtonianos.................................................................. 53 1.2 Índice de Tablas Tabla 1 Diseño Experimental para la Determinación del Patrón Base...................................................... 8 Tabla 2 Ventajas y Desventajas de la Nitrocelulosa Pura en Formulaciones de Esmaltes Cosméticos........... 12 Tabla 3 Comparación Técnica de Resinas del tipo ASF. ...................................................................... 13 Tabla 4 Propiedades Mínimas de Plastificantes para su uso en formulación............................................ 13 Tabla 5 Formulación Típica de Sistemas Base no Suspensoras.............................................................. 16 Tabla 6 Referencia de sistemas de color comerciales. ......................................................................... 16 Tabla 7 Resultados Sistema Esmalte Base Patrón............................................................................... 18 Tabla 8 Cuadro de datos del Sistema Esmaltes Patrón........................................................................ 18 Tabla 9 Rangos promedio de las propiedades de los esmaltes base patrón. ............................................. 19 Tabla 10 Rangos promedio de las propiedades de la laca base patrón........................................... 19 Tabla 11 Diseño Factorial Desglosado para el desarrollo de un Sistema SDRV. ...................................... 20 Tabla 12 Diseño Factorial para la escogencia de Sistemas SDRV óptimos.............................................. 21 Tabla 13 Resultado de % de Remoción estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos. ...................... 22 Tabla 14 Resultado de Presencia de filamentos estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos. ........... 23 Tabla 15 Resultado de Velocidad de secado estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos................. 24 Tabla 16 Resultado de Matriz y costos en la Formulación de Sistemas Reducidos..................................... 25 Tabla 17 Propiedades y Desempeño del Sistema Reducido escogido. ..................................................... 26 Tabla 18 Especificación de componentes para la formulación............................................................... 26 Tabla 19 Procedimiento experimental del esmalte formulado................................................................ 27 Tabla 20 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Composiciones........................................... 28 Tabla 21 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Secado al tacto .......................................... 29 Tabla 22 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Secado Fondo............................................ 30 Tabla 23 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Viscosidad............................................... 31 Tabla 24 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados % Sólidos ................................................ 32 Tabla 25 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Adherencia .............................................. 33 Tabla 26 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Brillo...................................................... 34 Tabla 27 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Costos...................................................... 35 Tabla 28 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Valor Matriz ............................................ 36 Tabla 29 Diseño Experimental para la Determinación del Patrón Base.................................................. 54 Tabla 30 Normas Técnicas NTC Utilizadas...................................................................................... 55 Tabla 31 Puntos de ebullición de los componentes de la Formulación.................................................... 56

1.3 Índice de Gráficos

Grafico 1 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de la resina modificante ............ 38 Grafico 2 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de Plastificante........................ 40 Grafico 3 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio del Agente Tixotrópico.............. 42 Grafico 4 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de Plastificante aromático......... 44 Grafico 5 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio del Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad SDRV......................................................................................................................... 46

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2. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de un nuevo proyecto en Ingeniería Química abre las puertas al estudio de un campo diferente de la Industria, debido al continuo desarrollo de cada sector y al interés por las mejoras en cada producto para hacerlo mas practico, amigable al ambiente y viable económicamente, es así como cada proyecto deja una pauta para seguir su investigación e incurrir en nuevos métodos para mejorar su desarrollo. La industria cosmética en Colombia es una industria en constante crecimiento. con 47 empresas registradas hasta Febrero de 20061 en la Cámara de Comercio de Bogotá bajo la categoría Fabricación de Cosméticos y Preparados de Tocador”. Una de las causas de este fuerte crecimiento se debe a la acogida de productos cosméticos naturales que, tal como los tradicionales, brindan belleza y estética, pero con un valor agregado: claras propiedades dermatológicas y benéficas para la salud de quien los usa. Debido a estas características y las exigencias diarias del mercado, todo el proyecto circula en las condiciones requeridas por los esmaltes como es el comportamiento de sus propiedades de aplicación2,3: El esmalte o barniz para uñas consiste en una resina de (nitrocelulosa o di nitrocelulosa, también conocida como piroxilina), un plastificante (estrés de alto peso molecular), disolventes (alcoholes de bajo y medio punto de ebullición) y pigmentos, que de acuerdo a su combinación en la formulación desarrollan, las propiedades finales que caractericen un buen esmalte cosmético como son 1) su inocuidad a la piel y a las uñas, 2) su homogeneidad, no separación y no sedimentación durante almacenamiento y 3) su fácil aplicación y adhesión. Propiedades que se desarrollan en este proyecto para mejorar las propiedades obtenidas en el mercado además de propiedades adicionales para el mejoramiento en la calidad del producto.

1 Referencia Cámara de Comercio. 2 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437 3 Referencia Estrada, Págs. 285-293

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3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo General: Desarrollar un esmalte cosmético competente con las propiedades mecánicas y reológicas referidas en el mercado con un valor agregado: la inclusión de un plastificante de acoplamiento aromático. 3.2 Objetivos específicos:

1. Identificar disolventes activos y disolventes de acoplamiento que, en función de sus capacidades de impartir viscosidad, dispersión, cubrimiento y secado, permitan formulaciones económicamente viables.

2. Obtener una resina de nitrocelulosa mediante la esterificación controlada de una celulosa natural (algodón).

3. Identificar plastificantes aromatizados que además impartan las mismas propiedades de los plastificantes tradicionales.

4. Formular un esmalte cosmético basado en el cumplimiento de los objetivos anteriores.

5. Analizar el comportamiento económico de los esmaltes cosméticos en función de su formulación.

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4. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El correcto inicio de la experimentación en el laboratorio para el desarrollo de formulaciones de esmaltes cosméticos dependerá, para este proyecto, de: 1) los valores de referencia o patrón de productos ya existentes, en donde se analizan las propiedades principales de los esmaltes, 2) las posibil idades y/o limitaciones técnicas y económicas de la industria actual, 3) un adecuado diseño que identifique acertadamente las variables a manipular en la formulación del sistema, 4) la disponibilidad de equipos de laboratorio para la apropiada medición de parámetros influyentes y 5) las normas técnicas vigentes que regulan los controles de calidad de estos productos. Determinar un patrón de esmaltes tiene como finalidad establecer un punto de referencia para evaluar las propiedades de los ensayos de formulación. Dado que las formulaciones a desarrollar son las de un Sistema Base (incoloro, para aplicación directa sobre las uñas), la caracterización de los patrones será efectuada de acuerdo con las normativas técnicas vigentes4 Para determinar el Patrón Del Sistema Base se escogen esmaltes comerciales a los cuales se les implementarán las Normas Técnicas mencionadas, además de pruebas específicas de resistencia al rallado, brillo y adherencia. Las marcas comerciales de referencia para la determinación del Patrón Base son: 1) Vogue “Ultra Base”, 2) Masglo “Base Fortalecedora” y 3) Ghem “Base Endurecedora”.

Variable a Número de Referencia

Evaluar Manipulaciones

Secado al Tacto 1 NTC 598

Seco a Fondo 1 NTC 598

% Humedad 1 NTC 2735

Sólidos Totales 1 NTC 2735 (SR)

Viscosidad 1 NTC 2735 (SR)

Adherencia 1 Industria (SR)

Brillo 1 Industria

Resistencia al Rallado 1 Industria

Espesor Película 1 Industria

TOTAL sin Réplica 9TOTAL con Réplica 44

Tabla 1 Diseño Experimental para la Determinación del Patrón Base. Para el desarrollo de un Sistema Disolvente Reductor de Viscosidades (SDRV), se plantea el diseño de un protocolo experimental donde se establecerán el número mínimo de experimentos para obtener un SDRV5 con características óptimas de desempeño. Consiste en un sistema compuesto por los disolventes activos de medio punto de ebullición Acetato de Butilo, Acetato de Etilo, Toluol y Xilol.

Para tener un concepto más claro, se aclaran los pasos más importantes que se tienen en cuenta para el completo desarrollo de todo el proyecto.

4 Ver tabla 1. 5 Sistema Disolvente Reductor de Viscosidades

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Paso 1: Calculo de las propiedades de los esmaltes cosméticos con mayor demanda en el mercado; valores que se toman como rangos de referencia para el resultado de las propiedades finales del esmalte formulado en este proyecto. Paso 2: Caracterización6 de una laca conocida en el mercado7, denominada laca patrón, en donde se determinan los rangos de referencia de las propiedades principales para la producción de la laca tixotropica. Paso 3: A partir de los diluyentes y disolventes util izados como materia prima para la producción de esmaltes cosméticos, definir la formulación de un sistema reductor de viscosidad que determina el comportamiento del producto final infiriendo en las propiedades de secado, brillo y viscosidad del esmalte. Paso 4: Síntesis de la laca tixotropica planteando el diseño de un protocolo experimental donde se establecerán el número mínimo de experimentos para obtener una formulación de laca tixotropica con características óptimas en su desempeño. Paso 5: Desarrollo del esmalte cosmético, con propiedades de 1) su inocuidad a la piel y a las uñas, 2) su homogeneidad 3) antisedimentación durante almacenamiento y 4) fácil aplicación y viabilidad económica. El correcto desarrollo de este procedimiento se demuestra en el siguiente gráfico:

Ilustración 1 Pasos para la determinación del proyecto.

6 Referencia Norma icontec NTC 2735 7 Referencia Laca Ref 58-56 proporcionada por la Empresa Poliac.

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La Ilustración muestra como deben tenerse referencias patrón (referencia 1 y referencia 2) para poder ser comparadas con los resultados de las formulaciones (comparación de la referencia 3 y referencia 2), en donde se reformula hasta tener el mejor desempeño de las propiedades del producto (comparación de la referencia 4 y referencia 1). Teniendo las materias primas para ser utilizadas en la producción de esmaltes cosméticos para este fin, se designan las variables de acuerdo al corto tiempo que se tiene para el desarrollo del experimento, es decir no se pueden variar todas las materias primas porque las pruebas exigen un tiempo mínimo para su estudio, de acuerdo a este factor se determinaron formulaciones cada una con dos variables de estudio a la vez en este proyecto. Las variables se determinan acorde a las materias primas que afectan directamente el comportamiento y las propiedades de la resina durante el desarrollo del producto. Se determina una formulación estándar, hallando los porcentajes en peso requeridos teóricamente para obtener las mejores propiedades de los esmaltes en el campo de uso. La formulación se cambio el número de veces necesario hasta la obtención de un mejor desempeño del producto teniendo como referencia las propiedades del producto patrón. Se hablará principalmente de los requerimientos teóricos para hallar las cantidades de las variables utilizadas en el proceso. Las cantidades de las demás materias primas no son objetivo muy específico de este proyecto. Teniendo la formulación estándar y los rangos de variación de los constituyentes, se realizan pruebas de laboratorio utilizando las normas técnicas, para analizar las propiedades del esmalte, escogiendo mediante una matriz de decisión, el costo de cada formulación y por resultados de laboratorio la formulación que mejores propiedades demuestre en la aplicación y formación de película.

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5. MARCO TEÓRICO Este documento tiene como objetivo principal dar a conocer las características de los esmaltes cosméticos, sus clasificaciones y todas las variables que afectan su desempeño. Los esmaltes cosméticos son líquidos de secamiento rápido, que se aplican en una superficie (uña) y por su exposición al aire, evapora sus moléculas de agua y solvente, dejando una película sólida que decora y protege la superficie aplicada. El elemento principal disolventes, es el medio de dispersión de un vehiculo (resina de nitrocelulosa) que tiene magnificas propiedades formadoras de película, este compuesto polimérico junto con pigmentos y varios aditivos, por medio de una agitación mecánica, (equipo, dispersor de velocidad) permite la dispersión de los demás aditivos y pigmentos formando un líquido de alta viscosidad definido con propiedades adquiridas de acuerdo a la correcta formulación del producto. Los principales componentes son: mostrados en el siguiente diagrama.

Ilustración 2 Composición del Barniz Cosmético. Con la figura anterior, se hará una explicación de cada uno de los compuestos manejados en la formulación del producto. 5.1. Esmaltes Cosméticos A simple vista, la industria de esmaltes cosméticos parece ser no tan tediosa y de fácil acceso comercial. Sin embargo, la tecnología y el desarrollo de estos productos, similar al de pinturas y esmaltes industriales, puede llegar a ser tan complejo y costoso como cualquier otro producto specialty de la industria química: son muchas las variables a evaluar durante su formulación y muchas las variables a controlar. De estas variables se deducen aquellas que rigen el control de calidad del barniz como producto terminado. Con esto, las propiedades finales que caractericen un buen esmalte cosmético son8,9:10,11:

8 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437 9 Referencia Estrada, Págs. 285-293 10 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437

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I. Aplicación: Comportamiento durante su aplicación con pincel, adhesión, propiedades de flujo. II. Propiedades ópticas: Bril lo, opacidad, mate, color.

III. Propiedades mecánicas: Resistencia a la abrasión, a los detergentes, al impacto, flexibilidad, que evite fragilidad y grietas,

IV. Durabilidad: Resistencia. V. Propiedades en el envase: Estabilidad en el almacenamiento, sedimentación (acumulación

de partículas en el fondo del envase), sinéresis (separación de fases). VI. Resistencia: Resistencia química.

VII. Espesor uniforme: Viscosidad y propiedades de flujo y mojado adecuadas. VIII. Color uniforme: Pigmentos finamente molidos y dispersos.

IX. Secado: Máxima velocidad de evaporación con mínimo efecto de eflorescencia. X. Mantenimiento: Conservación de estas propiedades mínimo durante una semana

. El logro de estas propiedades se ba sa en formulaciones fundamentadas en dos si stemas: un sistema base con propiedades suspensoras y un sistema reductor de viscosidadr. 5.2. Sistema Base con Propiedades Suspensoras El sistema base garantiza las propiedades de flujo, de suspensión y de formación de película, necesarias para que el esmalte cosmético satisfaga los requerimientos de cada una de sus variables de control. El primer parámetro de esta formulación base es la nitrocelulosa12. La nitrocelulosa, si fuera el único componente en la formulación del esmalte, presentaría varias ventajas importantes más no suficientes para un aceptable desempeño como producto terminado, de acuerdo con la Tabla siguiente13.

Ventajas Nitrocelulosa PuraResistencia a la Abrasión Poco BrilloDureza Tendencia a ContraerseCapacidad de Liberar Solvente Frágil

Baja Adherencia

Desventajas Nitrocelulosa Pura

Tabla 2 Ventajas y Desventajas de la Nitrocelulosa Pura en Formulaciones de Esmaltes Cosméticos.

Por esto se desarrolla un sistema o formulación con nuevos aditivos que mantengan las propiedades clave de la nitrocelulosa y a su vez suplan las desventajas mencionadas. Este sistema base es entonces conformado por nitrocelulosa, que es un formador de película primaria, resinas modificantes, que proporcionan espesor, adhesión y brillo, plastificantes, que imparten flexibilidad, adherencia y cobertura a la película, disolventes, que garantizan velocidades de evaporación y secado satisfactorias y diluyentes, que dan estabil idad a la viscosidad del sistema e imparten bril lo en función de su peso molecular. 5.2.1. Resinas Modificantes El uso de resinas modificantes en la formulación base da a la nitrocelulosa mejoras en adhesión, bril lo y espesor de la película final, conservando su capacidad para liberar solventes. Una común obtención química de estas re sinas es la reacción entre una Sulfonamida p-Toluénica y una Sulfonamida Formaldehídica a una temperatura de 110ªC. Como resultado se pueden obtener resinas duras e incoloras, comercialmente disponibles y generalmente del tipo Aril-Sulfonamida-Formaldehído (ASF), tal como la Santolite MHP 80% y la Santolite MS 80%. Ambas, al igual que

11 Referencia Estrada, Págs. 285-293 12 Ver Capítulo Anexos. 13 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437 y Referencia Estrada Págs. 285 – 293.

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otra gran variedad de resinas modificantes, presentan fuertes ventajas y algunas desventajas frente a su uso con la nitrocelulosa14. Ellas son:

Tipo de Resina Ventajas DesventajasSantolite MHP 80% Mayor Dureza. Baja Eliminación de Alcholes

Mayor Brillo. con Medio y Alto PM.Buenas Propiedades de Flujo. Contraindicaciones con ASF.Estable a la Luz.Soluble en Varios Disolventes.

Santolite MS 80% Mayor Dureza. Baja Eliminación de Alcholes Mayor Brillo. con Medio y Alto PM.Buenas Propiedades de Flujo. Contraindicaciones con ASF.Estable a la Luz.Soluble en Varios Disolventes.Baja Viscosidad.

Tabla 3 Comparación Técnica de Resinas del tipo ASF. Otros ejemplos de resinas modificadoras son: las Maléico-Alquídicas, compatibles con la nitrocelulosa dándole estabil idad a la luz y un rápido secado; los Acetatos de Polivinilo; los Butiratos, y las resinas tipo: Estirenos Alquídicos; Melamina-Formaldehído (util izada por impartir el mejor desarrollo a la formulación en este proyecto); Urea Formaldehído y Acrílicas. 5.2.2. Plastificantes Los plastificantes presentes en una formulación de esmalte cosmético dan a la nitrocelulosa la rigidez, flexibil idad y alargamiento necesarios en la película aplicada. De igual forma imparten mejores propiedades de flujo, bril lo y mayor adherencia una vez evaporados los solventes15. Por esta razón, los plastificantes a emplear no deben ser volátiles, tóxicos y l ibres de color y olor. Los plastificantes de uso cosmetológico son catalogados como Plastificantes Activos y Plastificantes de Acoplamiento16. Los plastificantes activos son capaces de disolver la nitrocelulosa y comprenden principalmente ésteres de elevado peso molecular y altos puntos de ebullición (baja volati lidad). Los plastificantes de acoplamiento son llamados así porque no son disolventes activos de la nitrocelulosa pero crean una relación sinérgica con los activos, impartiendo mayores y mejores propiedades. Tanto los plastificantes activos como los sistemas de plastificantes activo-acoplamiento deben satisfacer los requerimientos de la Tabla 317 para ser incluidos en un protocolo experimental para el desarrollo de formulaciones para esmaltes cosméticos.

CarácterísticaMiscibilidad Con Nitrocelulosas, Disolventes y Resinas

En Todas las ProporcionesInnocuidad Dermatológica y Libre de Propiedades

SensibilizantesVolatilidad Baja, Para Permanecer en la Película

Luego de SecaFlexibilidad AltaAdherencia AltaEstabilidad a la Luz Alta, Para No DecolorarseOlor Agradable (Aromatizado)

Descripción

Tabla 4 Propiedades Mínimas de Plastificantes para su uso en formulación.

14 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437. 15 Referencia Estrada, Págs. 285 – 293. 16 También llamados Plastificant es Disolventes y Plastificant es no Disolventes. 17 Referencia Estrada, Págs. 285 – 293.

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Ejemplos de plastificantes activos que cumplan las necesidades mencionadas son: cetonas, ésteres, amidas, ésteres glicólicos, nitroparafinas y otros. De igual manera, los alcoholes etílico, isopropílico y butílico son ejemplos de plastificantes de acoplamiento no disolventes. 5.2.3. Disolventes Los disolventes desempeñan quizá el papel más importante en la formulación del esmalte cosmético: se encargan de dispersar las partes no voláti les y dar uniformidad y homogeneidad a la película, además su buena formulación permite que impartan brillo a la película aplicada. Se clasifican según sus puntos de ebullición así:

• Disolventes con Bajo Punto de Ebullición (BPE): tb < 100ªC • Disolventes con Medio Punto de Ebullición (MPE): 100ªC < tb < 150ªC

• Disolventes con Alto Punto de Ebullición (APE): tb > 150ªC

De esta clasificación se deduce una nueva variable, tVE, velocidad real de evaporación a temperaturas ligeramente superiores a 30ªC, en función de su capacidad calorífica, su entalpía de vaporización y su peso molecular. Esta variable, junto con las clasificaciones según punto de ebullición, casos de evaporación superficial de película aplicada y soluciones de disolventes, son los criterios mínimos para escoger los disolventes a usar en la formulación final, así18:

• Disolventes BPE19: disminuyen la viscosidad del esmalte; dan movilidad y secado rápido. Su exceso puede causar no uniformidad en la película.

• Disolventes MPE20 y APE21: aumentan considerablemente la viscosidad del esmalte; dan cuerpo y tiene altos tiempos de secado.

• Velocidades tVE altas: causan eflorescencia o efecto “piel de naranja” en la película aplicada.

• Evaporación Superficial: genera una capa superior dura y una capa inferior blanda, sensible

a contracción y rompimiento.

• Comportamiento de Mezclas de Disolventes: presenta evaporación selectiva que puede afectar las propiedades finales de la película.

Ejemplos de disolventes comerciales son Cellosolve, Cellosolve Acetato, Butilsolve, Acetato de etilo y Acetato de butilo (utilizados en la formulación) y otros. 5.2.4. Diluyentes Los diluyentes de un sistema esmalte cosmético se emplean como 1) disolventes adicionales de la nitrocelulosa, 2) estabil izadores de viscosidades del sistema, 3) reductores del costo total de la formulación y 4) herramienta para estabilizar el brillo de la película: entre mayor sea su tb, mayor será el brillo, y viceversa. Ejemplos de diluyentes son alcoholes, hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos alifáticos. Una de las varias funciones de los diluyentes puede ser la de un plastificante de acoplamiento que de al disolvente mejores propiedades. Sin embargo se hace necesario definir una relación de 18 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437. 19 Disolventes con Bajo Punto de Ebullición (BPE) 20 Disolventes con Medio Punto de Ebullición (MPE) 21 Disolventes con Alto Punto de Ebullición (APE)

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tolerancia22 o relación de dilución entre el diluyente y el disolvente, lu/so, que define la máxima concentración de diluyente sin causar precipitación de la nitrocelulosa y el no funcionamiento de la formulación. Esto traería como consecuencia una película áspera y poco uniforme. La relación de tolerancia representa entonces la máxima viscosidad del sistema sin causar problemas en la aplicación de la película. Garantizar que esta relación calculada sea menor a la relación de tolerancia, de acuerdo con la ecuación 5.2.4.1, se logra con:

• Diluyentes con Temperatura de Ebullición baja, tbDILU ↓ . Se evaporan más rápido

• Disolventes con Temperatura de Ebullición alta, tbDISO ↑.

Se evaporan más lento

• Diluyentes con Velocidad de Evaporación de alta, velHvDILU ↑

Se evaporan más rápido

• Disolventes con Velocidades de Evaporación baja, velHvDISO ↓

Se evaporan más lento

Toleranciadelaciónsolu

Re < (Ecuación 5.2.4.1)

Ejemplos de diluyentes comerciales y su s corre spondientes valores de tolerancia altos y eficaces son el Alcohol Etílico, (9:1); el Alcohol Butílico, (9:1) y el Alcohol Isopropílico, también con relación (9:1). El Alcohol Butílico es el mejor de estos tres diluyentes pero su elevado costo hace que el Alcohol Isopropílico sea el diluyente comercial más aceptado23. Otros diluyentes son el tolueno y el xileno (usados en la formulación SDRV24, con relaciones de tolerancia (3:1), y poco efectivos en la formulación. 5.2.5 Agentes de Suspensión Los agentes de suspensión son partes opcionales en una formulación de esmalte cosmético. Su presencia depende de qué tan complejo es el Sistema Color implementado. Si el sistema color se basa en placas insolubles que no generen problemas de sedimentación, es posible evitar el uso de estos agentes. Sin embargo, el uso actual de pigmentos sintéticos y sustancias iridiscentes para dar a las películas aplicadas propiedades de brillo y lustre, genera problemas de suspensión en las formulaciones tradicionales. Por ello se hace necesario implementar los agentes de suspensión. Los agentes de suspensión se incluyen entonces en la formulación para lograr mejores propiedades de suspensión del sistema y eviten precipitaciones indeseadas. Estos agentes aumentan la viscosidad del sistema pero por ser sistemas tixotrópicos con arcillas coloidales pretratadas, hacen que el esmalte producto sea de fácil aplicación, por los esfuerzos cortantes necesarios25. Ejemplos de agentes de suspensión comerciales son las bentonas, a base de bencil metil sebo hidrogenado amonio montmorillonita: Bentone 27, Bentone 34 y Bentone 38. Los agentes de su spensión son también llamados agentes de relleno porque imparten al esmalte un aspecto iridiscente con cristales reflectivos producto de escamas de pescado o partículas de aluminio coloreados. Con los agentes de suspensión se define completamente la formulación del Sistema Base con Propiedades Suspensoras y se da paso a la definición del Sistema Color. La Tabla 426 resume la

22 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437. 23 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437. 24 SDRV Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad 25 Ver Capítulo Anexos para entender la mecánica que rigen los fluidos tixotrópicos. 26 Referencia Wilkinson, Pág. 418 – 437.

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conformación del Sistema Base pero sin Propiedades Suspensoras porque el Sistema Color no viene implementado.

Formulación % (masa)Nitrocelulosa RS 10 Formador de Película PrimariaSantolite MHP 10 ResinaSanticizer 5 PlastificanteAlcohol Etílico 5 Disolvente de AcoplamientoAcetato de Etilo 20 Disolvente ActivoAcetato de Butilo 15 Disolvente ActivoTolueno 35 DiluyenteTotal 100 Sistema Base

Tipo

Tabla 5 Formulación Típica de Sistemas Base no Suspensoras.

Esta formulación corresponde entonces a una laca básica para uñas, incolora. 5.3. Sistema Color La implementación de sistemas de color a las formulaciones base tiene con fin darle a las películas aplicadas de esmalte cosmético la estética y los tonos que los usuarios desean. De igual forma dan a la preparación propiedades de dispersión, que garantizan la homogeneidad y uniformidad necesarias. Los sistemas de color no deben27:

• Ser tóxicos • Ser sensibilizantes • Ser agentes manchadores • Ser solubles • Ser agentes exudantes • Ser inestables a la luz • Ser no compatibles con los demás componentes de la formulación.

Compuestos a base de Dióxido de Titanio imparten opacidad y tonos pálidos al sistema, mientras que aquellos derivados de óxidos de hierro imparten tonos marrones y bronceados. Sistemas de color nacarados, iridiscentes y sintéticos perlados, merecedores del uso de agentes de suspensión en la formulación base, son la guanina (2-Amino-6-Hidroxipurina), con aportes de brillo y lustre, el Oxicloruro de Bismuto y miel recubierta con Dióxido de Titanio. Ejemplos comerciales son:

Referencia Color IndexD&C Rojo 6 (litiol) 15850 NAD&C Rojo 7 (litiol) 73360D&C Rojo 36 12085D&C Rojo 9 15585:1D&C Rojo 7 15850:1FD&C Amarillo 5 19140FD&C Amarillo 6 15985

Tabla 6 Referencia de sistemas de color comerciales. Es común encontrar en el mercado estos pigmentos en forma de chips o pellets. Estos chips son mezclas de nitrocelulosa, colorante y disolventes procesados en molinos que garantizan la homogeneidad del pigmento y su fácil incorporación en la formulación final.28 27 Referencia Wilkinson, Pág. 418 – 437. 28 Referencia Wilkinson, Págs. 418 – 437.

17

Con esto queda definido el Sistema Color de una formulación para esmalte cosmético. La obtención de los distintos tonos y compatibilidades con el Sistema Base con Propiedades Suspensoras depende del experimentador y del tipo de producto que quiera desarrollar: depende del Know-How que la casa productora de estos esmaltes. Este sistema color no se desarrolla durante el experimento debido a que el sistema se desarrolla en medio transparente que es el sistema base de formulación, por el tiempo determinado para el experimento.

18

6. DESARROLLO DE ESMALTES COSMÉTICOS El correcto inicio de la experimentación en el laboratorio para el desarrollo de formulaciones de esmaltes cosméticos dependerá, para este proyecto, de: 1) los valores de referencia o patrón de productos ya existentes2930, 2) las posibilidades y/o limitaciones técnicas y económicas de la industria actual, 3) un adecuado diseño que identifique acertadamente las variables a manipular en la formulación del sistema, 4) la disponibilidad de equipos de laboratorio para la apropiada medición de parámetros influyentes y 5) las normas técnicas vigentes que regulan los controles de calidad de estos productos. De acuerdo con lo presentado en el Anexo 7.3 de este documento, los valores establecidos como los de referencia (o patrón) para los esmaltes del sistema base son los de las marcas más conocidas en el mercado,31 productos escogidos por medio de encuestas a personal femenino ajeno a este proyecto y encuestas realizadas en salones de belleza y Spa en la cuidad en donde se llevo a cabo el experimento. Estos sistemas de referencia determinarán si los productos desarrollados en este proyecto cumplen con los mínimos requisitos y necesidades de la industria cosmética actual.

% Remoción Presencia Filamento

Velocidad Secado

Disolvente T SECADO

TACTO T SECADO

FONDO ADHERE NCIA VISCOSIDAD 6RPM BRILLO

MARCA CANTIDAD UN RESULTADO

45,00 % NO ALTA .59 1.26 90% 530 72%

40,00 % NO BAJA .7 2.3 70% 550 75% LACA BASE

MASGLO 43,00 % NO BAJA .85 2.7 80% 570 82%

35,00 % NO BAJA .65 4.55 70% 610 67%

35,00 % NO ALTA .78 2.5 100% 600 77% LACA BASE GHEM

33,00 % NO BAJA .72 2.8 80% 570 70%

16,00 % NO ALTA .7 1.03 100% 570 75%

8,00 % NO ALTA .5 1.3 100% 550 85% LACA BASE

VOGUE 11,00 % NO ALTA .55 1.2 100% 550 83%

Tabla 7 Resultados Sistema Esmalte Base Patrón

1 00:42 01:07 00:49 01:04 03:24 04:332 00:41 01:07 00:43 01:25 03:55 06:183 00:35 01:15 00:50 00:57 04:01 04:284 00:35 01:16 00:43 00:55 03:41 04:355 00:45 01:09 00:55 01:26 03:48 04:556 00:50 01:03 00:59 00:53 03:46 02:367 00:43 01:12 00:50 00:50 03:20 02:438 00:40 01:10 00:54 01:06 03:54 02:41

ESMALTE PATRÓN 1 ESMALTE PATRÓN 2 ESMALTE PATRÓN 3

PRUEBA TIEMPO SECO TACTO

TIEMPO SECO FONDO

TIEMPO SECO TACTO

TIEMPO SECO FONDO

TIEMPO SECO TACTO

TIEMPO SECO FONDO

Tabla 8 Cuadro de datos del Sistema Esmaltes Patrón

Paso 1:RANGOS PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES DE LOS ESMALTES BASE PATRON

29 Ver Capítulo Anexos. 30 Ver referencias Bibliográfi cas 12, 13, 14 31 Ver referencias Bibliográfi cas 12, 13, 14

19

PROPIEDAD PATRÓN 117 PATRÓN 218 PATRÓN 319 RANGOS PATRON

Tiempo Seco Tacto32 (min) 0:40 a 0:55 0:40 a 0:55 3:24 a 3:54 0:50 a 0:7 seg

Tiempo Seco Fondo33 (min) 1:07 a 1:16 1:04 a 1:26 4:33 a 6:18 1 - 1.5 seg

Viscosidad34 (centipoises) 525 531 508 min 500 rpm

% Sólidos35 (/) 52% 47% 51% min 50%

Adherencia36 (%) 89% 93% 82% min 90 %

Brillo (GU 60ª37) 31,76 30,89 47,83 min 37 Tabla 9 Rangos promedio de las propiedades de los esmaltes base patrón.

Paso 2. RANGOS PROMEDIO DE LAS PROPIEDADES DE LA LACA BASE PATRON

PROPIEDAD RANGO Unidad contenido sólidos38 50-53 %

T SECADO 39 1.25 minutos

VISCOSIDAD 6RPM40 500 centipoises

VISCOSIDAD 60 RPM41 350 centipoises

índice de tixotropía42 1,43 N/A

Tabla 10 Rangos promedio de las propiedades de la laca base patrón

Con esto, el desarrollo de una laca de nitrocelulosa se llevará a cabo en el laboratorio de acuerdo con lo establecido en el Anexo 7.1. La laca nitrocelulósica, debido a sus propiedades intrínsecas requiere de un sistema reductor de viscosidades cuyo desarrollo se presenta a continuación.

6.1. Desarrollo de un Sistema Disolvente Reductor de Viscosidades Para el desarrollo de un Sistema Disolvente Reductor de Viscosidades (SDRV)43, se plantea el diseño factorial de un protocolo experimental donde se establecerán el número mínimo de experimentos para obtener un SDRV44 con características óptimas de desempeño. Consiste en un sistema compuesto por los disolventes activos Acetato de Butilo, Acetato de Etilo, y diluyentes o sistemas de acoplamiento como son: Toluol y Xilol, mismos componentes activos de los Removedores, comercialmente conocidos como Quitaesmaltes. Sin embargo, de acuerdo con las

32 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 33 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 34 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 35 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 36 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 37 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 38 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 39 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 40 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 41 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 42 Ver referencias Bibliográfi cas de 7 a 11 43 SDRV Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad 44 SDRV Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad

20

normativas y legislaciones ambientales, destrucción de la capa de ozono y calentamiento global, se debe regular el uso de Componentes Orgánicos Volátiles (COV)45 con elevadas presiones de vapor relativa46. Con los componentes definidos, se plantean distintos sistemas de SDRV, deducidos de un diseño factorial, y se definen ocho SDVR47 óptimos, así:

Sistema Tipo del Componentes Número y Tipo deNo. Formulado Variaciones

1 Disolvente Acetato de Butilo 1 vez var iado2 Disolvente Acetato de Eti lo 1 vez var iado3 Diluyente Toluol 1 vez var iado4 Diluyente Xilo l 1 vez var iado5 Disolvente Acetato de Butilo 3 veces variado

Disolvente Acetato de Eti lo 3 veces variado6 Disolvente Acetato de Butilo 3 veces variado

Disolvente Acetato de Eti lo 3 veces variadoDiluyente Toluol 3 veces fijo

7 Disolvente Acetato de Butilo 3 veces variadoDisolvente Acetato de Eti lo 3 veces variadoDiluyente Xilo l 3 veces fijo

8 Disolvente Acetato de Butilo 6 veces var iado y 2 veces fijoDiso lvente Acetato de Eti lo 6 veces var iado y 2 veces fijoDiluyente Toluol 6 veces var iado y 2 veces fijoDiluyente Xilo l 6 veces var iado y 2 veces fijo

9 SDRV Removedor Comercial 1 vez var iado Tabla 11 Diseño Factorial Desglosado para el desarrollo de un Sistema SDRV.

Con esto, tanto el número total de experimentos, definidos en 21, como los valores asignados de cada variable (Tabla continua) quedan definidos. El procedimiento para evaluar el desempeño de cada uno de los sistemas formulados consiste en los siguientes pasos:

• Hacer un total de 22 aplicaciones de resina de nitrocelulosa formulada sobre láminas de vidrio perfectamente limpias y dejar secar a condiciones de laboratorio por un lapso de 24 horas.

45 De su nombre en inglés: Volatile Organic Components (VOC). 46 Referencia Sitio Web, Faryniarz. 47 SDRV Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad

21

S. No. Componentes Variables delEnsayo

1 Acetato de Butilo XAB1 100% -- --2 Acetato de Etilo XAE1 100% -- --3 Toluol XTL1 100% -- --4 Xilol XXL1 100% -- --5 Acetato de Butilo XAB1, XAB2, XAB3 20% 50% 60%

Acetato de Etilo XAE1, XAE2, XAE3 80% 50% 40%6 Acetato de Butilo XAB1, XAB2, XAB3 60% 50% 40%

Acetato de Etilo XAE1, XAE2, XAE3 30% 40% 50%Toluol fijo, fijo, fijo 10% 10% 10%

7 Acetato de Butilo XAB1, XAB2, XAB3 60% 50% 40%Acetato de Etilo XAE1, XAE2, XAE3 30% 40% 50%Xilol fijo, fijo, fijo 10% 10% 10%

8 XAB1, XAB2 50% 40% --XAE1, XAE2 40% 50% --

fijo, fijo 5% 5% --XXL1, XXL2 5% 5% --XAB1, XAB2 50% 40% --XAE1, XAE2 40% 50% --

Acetato de Butilo XTL, XTL2 5% 5% --Acetato de Etilo fijo, fijo 5% 5% --

Toluol fi jo, fi jio 5% 5% --Xilol XAE1, XAE2 5% 5% --

XTL, XTL2 50% 40% --XXL1, XXL2 40% 50% --XAB1, XAB2 5% 5% --

fijo, fijo 5% 5% --XTL1, XTL2 50% 40% --XXL1, XXL2 40% 50% --

9 Sistema SDRV fijo 100% 50% --

Valores delas Variables (XWT)

Tabla 12 Diseño Factorial para la escogencia de Sistemas SDRV óptimos.

• Remover las películas aplicadas, luego de las 24 horas, con cada una de las 22 formulaciones presentadas y hacer un estimativo de la capacidad de remoción de cada una, con el único fin de establecer una formulación que represente cada uno de los 8 sistemas diseñados.

La justificación de estos sistemas se basa en sistemas conformados por: 1) disolventes y diluyentes por separado; 2) mezcla de disolventes, que respetan al máximo la relación de tolerancia; 3) mezcla de disolventes y un diluyente, que se representan un sistema sin acoplamiento y participan en la formulación dentro de la relación de tolerancia; 4) mezcla de disolventes y diluyentes, que permiten evaluar cómo los excesos y carencias de estos afectan las propiedades de secado y de película aplicada; 5) un sistema comercial patrón, como referencia, y finalmente, 6) mezcla de todos los componentes, de los cuales se espera el mejor desempeño, dadas las indicaciones del proveedor. 6.1.1. Resultados del Desarrollo de Sistemas SDRV48 Las mediciones de densidad de cada formulación se efectúan con un viscosímetro Brookfield, reportando los valores observados en centipoises y el porcentaje de reducción de viscosidades. De igual forma se reportan los tiempos Tiempo Seco al Tacto y Tiempo Seco a Fondo, de acuerdo a lo

48 SDRV Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad

22

establecido en la Norma Técnica Colombia NTC 598. Es de vital importancia tener como referencia los tiempos de secado de cada formulación según esta norma ya que, comparados con los valores patrones reportados en la sección 7.3.1.1 de este documento, se logrará determinar la “Aceptación” o “Rechazo” de cada una de las formulaciones.

• Resultados de Sistemas Reducidos

A continuación se presentan las tablas con los resultados del análisis de laboratorio realizado para cada propiedad en los sistemas formulados.

Porcentajes Másicos de los Ensayos % Remoción Estimado Sistema

Número Componentes CMB 1 CMB2 CMB3 CMB1 CMB2 CMB3

1 Acetato de Butilo 100% -- -- 45,0% -- --

2 Acetato de Etilo 100% -- -- 35,6% -- --

3 Toluol 100% -- -- 11,8% -- -- 4 Xilol 100% -- -- 1,6% -- --

5 Acetato de Butilo 20% 50% 60%

Acetato de Etilo 80% 50% 40%

28,7% 31,2% 31,8%



Toluol 10% 10% 10%

40,3% 27,2% 26,8%



Xilol 10% 10% 10%

32,5% 23,1% 44,6%

8 50% 40% -- 40% 50% -- 5% 5% -- 5% 5% --

64,3% 54,3% --

40% 50% -- 50% 40% --

Acetato de Butilo 5% 5% --

Acetato de Etilo 5% 5% --

75,0% 52,5% --

Toluol 5% 5% -- Xilol 5% 5% -- 50% 40% -- 40% 50% --

58,1% 55,6% --

5% 5% -- 5% 5% -- 40% 50% -- 50% 40% --

32,1% 71,2% --

9 Sistema SDRV 100% -- -- 44,3% -- --

Tabla 13 Resultado de % de Remoción estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos.

23

Porcentajes Másicos de los Ensayos Presencia de Filamentos? Sistema

Número Componentes CMB 1 CMB2 CMB3 CMB1 CMB2 CMB3

1 Acetato de Butilo 100% -- -- NO -- --

2 Acetato de Etilo 100% -- -- NO -- --

3 Toluol 100% -- -- NO -- -- 4 Xilol 100% -- -- NO -- --



NO NO NO



Toluol 10% 10% 10%

NO SÍ SÍ



Xilol 10% 10% 10%

SÍ NO NO

8 50% 40% -- 40% 50% -- 5% 5% -- 5% 5% --

NO NO --

40% 50% -- 50% 40% --



NO NO --

Toluol 5% 5% -- Xilol 5% 5% -- 50% 40% -- 40% 50% --

6% NO --

5% 5% -- 5% 5% -- 40% 50% -- 50% 40% --

SÍ SÍ --

9 Sistema SDRV 100% -- -- NO -- -- Tabla 14 Resultado de Presencia de filamentos estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos.

24

Porcentajes Másicos de

los Ensayos Velocidad Secado Disolvente Sistema Número Componentes

CMB 1 CMB2 CMB3 CMB1 CMB2 CMB3

1 Acetato de Butilo 100% -- -- ALTA -- --

2 Acetato de Etilo 100% -- -- MEDIA -- --

3 Toluol 100% -- -- BAJA -- -- 4 Xilol 100% -- -- BAJA -- --



BAJA MEDIA BAJA



Toluol 10% 10% 10%

ALTA MEDIA BAJA



Xilol 10% 10% 10%

ALTA ALTA ALTA

8 50% 40% -- 40% 50% -- 5% 5% -- 5% 5% --

MEDIA BAJA --

40% 50% -- 50% 40% --



BAJA MEDIA --

Toluol 5% 5% -- Xilol 5% 5% -- 50% 40% -- 40% 50% --

BAJA MEDIA --

5% 5% -- 5% 5% -- 40% 50% -- 50% 40% --

ALTA BAJA --

9 Sistema SDRV 100% -- -- MEDIA -- -- Tabla 15 Resultado de Velocidad de secado estimado en la Formulación de Sistemas Reducidos.

De acuerdo con las Tablas anteriormente mostradas, los sistemas óptimos SDRV definidos son: combinación número 1 para el sistema 1; combinación número b para el sistema 2; combinación número c para el sistema 3; combinación número d para el sistema 4; combinación número e para el sistema 5; combinación número f para el sistema 6; combinación número g para el sistema 7 y combinación número h para el sistema 8. Con estos sistemas definitivos se preparan los sistemas completos, formulados con las lacas de laboratorio. A estas formulaciones se les efectuarán mediciones de densidad y tiempos de secado y se establecerá cuál de 8 sistemas SDRV es el óptimo para las lacas disponibles.

25

Combinación Escogida COSTOS Sistema

Número

Componentes CMB

1 CMB2 CMB3 CMB1 CMB2 CMB3

1 Acetato de Butilo -- -- 112,83475 N/A N/A

2 Acetato de Etilo -- -- 109,6115 N/A N/A 3 Toluol -- -- 75 N/A N/A 4 Xilol -- -- 64,5 N/A N/A

5 Acetato de Butilo

Acetato de Etilo 110,25615 111,22312

5 111,5454

5

6 Acetato de Butilo

Acetato de Etilo Toluol 108,0843

107,761975

107,43965

7 Acetato de Butilo

107,43965

Acetato de Etilo Xilol 108,0843

107,761975

8

-- 107,23697

5 106,91465

N/A

Acetato de Butilo

Acetato de Etilo

--

106,91465 107,23697

5

N/A

Toluol Xilol

-- 74,422312

5 73,372312

5

N/A

-- 73,372312

5 74,422312

5

N/A

9 Sistema SDRV -- --

N/A No aplica Tabla 16 Resultado de Matriz y costos en la Formulación de Sistemas Reducidos.

Tal como lo muestra la Tabla anterior, el Sistema Reducido Formulado número siete combinación 3 es el más ajustable a las necesidades y requerimientos de la Laca Formulada. Sus propiedades finales, en donde se encuentra que como diluyente, solo el xilol imparte las mejores propiedades al sistema para la disolución de las lacas, en la mezcla de disolventes, acetato de etilo y acetato de butilo tienen alta capacidad de remoción y sus comportamientos son similares, en los sistemas analizados, aunque el valor promedio de % remoción es mejor en los si stemas con xilol determinando su inferencia, porque infiere en una mayor velocidad de secado.

26

%

PESO %

Remoción Estimado

Presencia de

Filamentos

Velocidad Secado

Disolvente COSTOS COSTOS Sistema

Número Componentes CMB3 CMB3 CMB3 CMB3 CMB3 CMB3

7 Acetato de Butilo 40%

Costo x Kg

Acetato de Etilo 50%

Xilol 10%

44,6% NO ALTA 107,43 4.298

Tabla 17 Propiedades y Desempeño del Sistema Reducido escogido.

6.2. Desarrollo de un Sistema Completo El desarrollo de un Sistema Completo consiste en la síntesis de esmaltes cosméticos a partir de la laca base y los demás componentes del sistema que imparten las propiedades finales al producto. El procedimiento consiste en preparar sistemas formulados de laca y los demás componentes en concentraciones encontradas en una tabla a continuación a las cuales se les evalúan las mismas pruebas efectuadas a los esmaltes base patrón, además de pruebas de cubrimiento propias de la industria de pinturas industriales. Los sistemas a desarrollar se definen a continuación: Teniendo definidas las propiedades principales para la caracterización del esmalte patrón y la laca base, se tienen estas referencias para comenzar la formulación del esmalte cosmético. Con las mejores materias primas para el esmalte cosmético, se determinan los rangos a trabajar para mantener en la formulación, la cantidad total de cada material que se necesita y el precio para manejar el sistema económico de las formulaciones. Datos que se necesitan más adelante para la escogencia de la formulación con un comportamiento superior al del mercado.

Especificación de Productos

Componente Producto Rango

(%) Cantidad x

Producto(gr) Precio x Kg Agente Filmógeno Laca

Nitrocelulosa 5 - 20 343,75 gr 12.010

12.010

Resina Melamina Formaldehido 5 - 20 73,00 gr

4.800

4.800

Plastificante Ftalato de Butilo 2 - 8 15,38 gr 5.600

5.600

Agente de suspensión Gel Bentona 0 - 2 2,88 gr 3.117

3.117

Plastif icante Aromatizante Aceite de pino 0,5 - 5 4,63 gr 4.046

4.046

Disolvente (SDRV) Acetato de Butilo 60,50 gr 5.300

Disolvente (SDRV) Acetato de Etilo 0,00 gr 4.384

4.298

Diluyente (SDRV) Xilol

5 - 80

276,25 gr 2.580

Tabla 18 Especificación de componentes para la formulación.

27

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ESMALTE

FORMULADO Compuesto Nomenclatura 1 2 3 4 5

Laca Nitrocelulosa LN V VR VR VR VR Melamina Formaldehído MF V VR VR VR VR Plastif icante Ftalato de Butilo P1 V A suspensión - Gel Bentona GB V Plastif icante Aromatizante P2 V Acetato de Butilo Acetato de Etilo Xilol

SDRV

V

Numero de Combinaciones por SISTEMA = 4 Tabla 19 Procedimiento experimental del esmalte formulado.

En la tabla anterior se tiene en cuenta como se realizó la formulación del esmalte cosmético final, esta tabla resume que se tienen en cuenta cuatro sistemas principales en donde se analiza primero el comportamiento entre las resinas de nitrocelulosa y melamina, teniendo la razón entre las cantidades de resina que se necesita para obtener las mejores propiedades del producto, manteniendo esta relación se desarrolla una nueva variable en las formulaciones y es el cambio de cada uno de los compuestos de la formulación, teniendo en cuenta los rangos en los que se deben formular y así que analiza como cada material se comporta en la formulación de acuerdo a los valores de los resultados de las propiedades analizadas para este caso. De acuerdo a las dos tablas anteriores se demuestran los resultados de las formulaciones y los comportamientos de acuerdo al valor de las propiedades. La tabla 20. muestra las formulaciones tenidas en en sistema para analizar el comportamiento del esmalte. Notificando en rojo las variables de estudio en cada sistema. En la tabla 19 se hace referencia a las iniciales que se utilizan en las tablas siguientes. Todas las tablas demuestran las cuatro diferentes combinaciones que se tuvieron en cuenta en el cambio de las proporciones de las variables, en la parte inferior de las tablas se demuestra el valor total de las formulaciones que en porcentaje en peso demuestra una formulación del 100% y las demás tablas demuestran el valor de la matriz característico a la propiedad es decir el valor esperado para demostrar las mejores propiedades se demuestra con el número 1 y como son cuatro combinaciones, el valor de la matriz llega hasta 4. Así, cada propiedad es evaluada de acuerdo a como se espera su comportamiento en los re sultados finales del producto, es por esto que al final de las propiedades se analiza en menor valor en la matriz que junto con el costo correspondiente, determinará las mejores propiedades al producto formulado.

28

6.2.1 Valor de los porcentajes en masa de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF

Formulaciones SEBF Masa de Referencia 25 GR

Porcentajes Másicos de los Ensayos (%) Sistema Número Componentes

CMB 1 CMB2 CMB3 CMB4 LN 45% 60% 75% 90% MF 47% 32% 17% 2% P1 2% 2% 2% 2% GB 0,5% 0,5% 0,5% 0,5% P2 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

1

SDRV 5% 5% 5% 5% % Total 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

LN 65% 70% 75% 80% MF 24% 17% 10% 2%

P1 1% 3% 6% 8% GB 0,5% 0,5% 0,5% 0,5% P2 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

2

SDRV 9% 9% 9% 9% % Total 100,00% 100,00% 100,50% 100,00%

LN 71,5% 73% 74,5% 76% MF 11% 9% 7% 4,5% P1 3% 3% 3% 3% GB 0% 0,5% 1% 2% P2 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

3

SDRV 14% 14% 14% 14% % Total 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

LN 55% 60% 65% 70% MF 21% 15% 8% 1,5% P1 3% 3% 3% 3% GB 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

P2 0,5% 1,5% 3,5% 5%

4

SDRV 20% 20% 20% 20% % Total 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

LN 60% 65% 70% 75% MF 31% 21% 11% 1% P1 3% 3% 3% 3% GB 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

P2 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%

5

SDRV 5% 10% 15% 20% % Total 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

Tabla 20 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Composiciones

29

6.2.2 Resultados de Secado al tacto de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Secado al tacto 14(min)

Sistema Número Componentes

CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF

P1 GB P2

1

SDRV

1,350 2,100 1,400 1,800

MATRIZ 1 4 2 3 LN MF P1 GB P2

2

SDRV

1,270 1,250 1,100 1,270

MATRIZ 3 2 1 3 LN MF P1 GB

P2

3

SDRV

0,700 0,700 0,900 1,100


4

SDRV

0,750 0,690 0,650 0,500

MATRIZ 4 3 2 1 LN MF

P1 GB

P2

5

SDRV

1,400 1,200 0,800 0,500

MATRIZ 4 3 2 1 Tabla 21 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Secado al tacto

30

6.2.3 Resultados de Secado Fondo de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Secado a fondo 14 (min)


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF P1 GB

P2

1

SDRV

2,500 2,100 2,500 2,900

% Total 2 1 2 3 LN MF P1 GB P2

2

SDRV

1,790 1,810 1,760 1,500

% Total 3 4 2 1 LN MF

P1 GB P2

3

SDRV

1,500 1,200 1,900 2,300

% Total 2 1 3 4 LN MF P1 GB P2

4

SDRV

1,500 1,210 1,190 1,170

% Total 1 4 2 3 LN MF

P1 GB

P2

5

SDRV

2,400 1,900 1,800 1,400

% Total 4 3 2 1 Tabla 22 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Secado Fondo

31

6.2.4 Resultados de Viscosidad de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Viscosidad 13(centipoises)


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF

P1 GB P2

1

SDRV

552,000 545,000 541,000 535,000


2

SDRV

535,000 535,000 545,000 530,000


P2

3

SDRV

505,000 515,000 525,000 519,000


4

SDRV

505,000 503,000 512,000 514,000


P1 GB

P2

5

SDRV

540,000 520,000 510,000 504,000

MATRIZ 4 2 1 4 Tabla 23 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Viscosidad

32

6.2.5 Resultados de % de Sólidos de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


% Solidos 13


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF

P1 GB P2

1

SDRV

52,000 52,600 52,240 51,870


2

SDRV

52,240 52,350 52,210 51,920


P2

3

SDRV

0,529 0,520 0,531 0,527


4

SDRV

0,480 0,515 0,517 0,520


P1 GB

P2

5

SDRV

52,400 52,800 52,100 51,840

MATRIZ 2 1 3 4 Tabla 24 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados % Sólidos

33

6.2.6 Resultados de % de Adherencia de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Adherencia 15 (%)


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF

P1 GB P2

1

SDRV

20% 20% 70% 70%


2

SDRV

70% 80% 70% 60%


P2

3

SDRV

80% 100% 100% 80%


4

SDRV

70% 70% 70% 70%


P1 GB

P2

5

SDRV

70% 100% 100% 80%

MATRIZ 3 1 1 2 Tabla 25 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Adherencia

34

6.2.7 Resultados de Brillo de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Brillo 12 (GU 60°)


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF P1 GB

P2

1

SDRV

60,300 64,360 63,820 61,780


2

SDRV

65,300 72,300 71,390 73,200


P1 GB P2

3

SDRV

74,280 76,360 74,780 73,280


4

SDRV

72,340 72,540 71,890 72,780


P1 GB

P2

5

SDRV

64,890 74,020 75,300 74,760

MATRIZ 4 3 1 2 Tabla 26 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Brillo

35

6.2.8 Resultados de Costos de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


Costos (Precio x Kg)


CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF

P1 GB P2

1

SDRV

8.023,19

9.104,69

10.186,19

11.267,69


2

SDRV

9.437,10

9.813,60

10.218,10

10.574,60


P2

3

SDRV

9.905,04

10.004,78

10.104,51

10.195,83


4

SDRV

8.676,83

9.029,79

9.375,21

9.724,40


P1 GB

P2

5

SDRV

9.112,69

9.448,07

9.783,45

10.118,83

MATRIZ 1 2 3 4 Tabla 27 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultado Costos

36

6.2.9 Resultados Finales de la Matriz de las formulaciones para el sistema esmalte base formulado SEBF


VALOR DE LA MATRIZ Sistema Número Componentes

CMB1 CMB2 CMB3 CMB4

LN MF P1 GB

P2

1

SDRV

19,00

16,00

14,00

19,00

MATRIZ 14,00

LN MF P1 GB

P2

2

SDRV

18,00

14,00

18,00

17,00

MATRIZ 14,00

LN MF P1 GB

P2

3

SDRV

12,00

9,00

19,00

23,00

MATRIZ 9,00

LN MF P1 GB

P2

4

SDRV

16,00

20,00

19,00

17,00

MATRIZ 16,00

LN MF

P1 GB

P2

5

SDRV

22,00

15,00

13,00

18,00

MATRIZ 13 13,00

Tabla 28 SEBF (Sistema esmalte base formulado) Resultados Valor Matriz

37

7. ANALISIS DE RESULTADOS De acuerdo a los resultados, es muy difícil su interpretación si se tienen en cuenta solo las tablas mostradas por esto se analizan los resultados de acuerdo al comportamiento característico que demuestran los resultados de acuerdo al cambio de las variables en la formulación. Lo más importante en el análisis son las características que cada componente brinda a la formulación final, por esto se hace un análisis del comportamiento de cada componente en las propiedades del producto final. De acuerdo a este análisis la primera variación se tiene en el cambio de la resina modificante de la formulación.

Aumento Resina Vs. Tiempos de secado

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0% 10% 20% 30% 40% 50%Cantidad de Resina (%masa)

TIEM

PO M

IN

v

Aumento Resina Vs. Viscosidad

530

535

540

545

550

555


VISC

OSI

DAD

CPO

ISES

v

38

Aumento Resina Vs. % Solidos

51,851,952,052,152,252,352,452,552,652,7

0% 10% 20% 30% 40% 50%Cantidad de Res ina (%mas a)

Solid

os %

v

Aumento Resina Vs. Adherencia

0,00,10,20,3

0,40,50,60,7

0,8

0% 10% 20% 30% 40% 50%Cantidad de Re sina (%mas a)

Adhe

renc

ia %

v

Aumento Resina Vs. Brillo

60,060,561,061,562,062,563,063,564,064,565,0


BR

ILLO

GU

60

v

Aumento Resina Vs. Costo

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0% 10% 20% 30% 40% 50%Cantidad de Resina (%m asa)

Cost

os (m

iles

de

peso

s

v

Grafico 1 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de la resina modificante

39

El grafico 1 muestra el comportamiento de las propiedades del esmalte formulado con respecto al cambio en la resina modificante se tiene en cuenta que al aumentar la cantidad de resina modificante como este compuesto imparte más sólidos al sistema por su composición, tarda el tiempo de secado, su alto peso molecular hace que este compuesto dificulte la salida de solventes del sistema, además debe tenerse en cuenta que además de lo nombrado anteriormente la resina imparte mayor viscosidad al sistema disminuyendo su adherencia a la superficie aplicada, que hace que no haya un buen brillo, ni secado, ni rápida evaporación de los solventes, aunque deben tenerse en cuenta dos puntos principales, este producto tiene mucho menor costo que la resina base (resina de nitrocelulosa) por lo que su aumento ayuda a la disminución de los costos. La propiedad más importante que debe tenerse en cuenta con este compuesto según los resultados es la adherencia, es normal que se imparta brillo pues es una propiedad característica por lo que se adiciona esta resina en la formulación, puesto que la resina de nitrocelulosa es muy dura, este material ayuda a impartir flexibil idad a la película aplicada y así ayudar a su aplicación y no formar piel de naranja, pero debe tenerse en cuenta que este comportamiento tiene un punto de inflexión en la gráfica pues se determina que al aumentar su cantidad en la formulación ayuda a la adherencia de la capa de esmalte en la uña, hasta el punto en el que se aumenta tanto su cantidad que hace tan flexible la capa de esmalte que parte la película, disminuye su adherencia y por tanto daña las propiedades del producto, esto se nota luego del punto de inflexión, por lo que es un valor que debe tenerse muy en cuenta en su formulación. Es por esto que se determina una relación clara entre las cantidades de resina formuladas y se mantiene durante toda la formulación. Es importante tener en cuenta que para analizar el cambio de cada variable, se tendrá como referencia desde ahora una variable fi ja que se determina como la resina de nitrocelulosa, es decir se analiza el comportamiento en las propiedades finales teniendo fija la relación entre las resinas por el análisis de la ilustración anterior, debido a que el cambio de muchas variables impide un buen análisis del comportamiento del producto. De acuerdo al cambio en el plastificante se tiene en cuenta que:

Aumento Plastificante Vs. Tiempos de secado

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plas tificante (%m asa)

TIEM

PO M

IN

v

Aumento Plastificante Vs. Viscosidad

528530532534536538540542544546

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plastificante (%masa)

VISC

OSI

DA

D C

POIS

ES

vc

40

Aumento Plastificante Vs. % Solidos

51,951,952,052,052,152,152,252,252,352,352,452,4

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plastificante (%m asa)

Solid

os %

v

Aumento Plastificante Vs. Adherencia

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plastificante (%mas a)

Ad

here

ncia

%

v

Aumento Plastificante Vs. Brillo

64,065,066,067,068,069,070,071,072,073,074,0

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plastificante (%masa)

BR

ILL

O G

U 6

0

v

Aumento Plastificante Vs. Costo

9,29,49,69,8

10,010,2

10,410,610,8

0% 2% 4% 6% 8% 10%Cantidad de Plastificante (%mas a)

Cos

tos

(mile

s d

e pe

sos

v

Grafico 2 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de Plastificant e

41

El cambio que imparte el plastificante en las propiedades de l esmalte cosmético se determinan de acuerdo a que un plastificante le da a la resina un mejor medio para su acoplamiento en el sistema, por lo que el plastificante debe tener un muy alto punto de ebullición para quedarse en la película mientras se aplica sobre una superficie, lo cual determina mayor rigidez, y flexibilidad a la película, aumentando los tiempos de secado, dando mayor adherencia y brillo al sistema por lo que concluye en que el aumento de su composición aumenta el costo de la formulación, además se elevado peso molecular aumenta la cantidad de sólidos al sistema, afectando directamente el tiempo de secado del esmalte. En este caso se utiliza un plastificante de acoplamiento que no interviene con tanta fuerza en la disolución de la resina para no cambiar drásticamente las condiciones del secado. El componente que interviene con mayor fuerza en las propiedades reológicas del sistema es el agente de suspensión, es utilizado en estos sistemas porque ayuda a la no sedimentación de los compuestos, por lo que se define que el esmalte formulado puede utilizarse como sistema base para formulación de colores, en donde se mantienen buenas propiedades de almacenamiento y mejora las propiedades de fluidez del sistema por lo que este compuesto maneja su tixotropía. A continuación se define el comportamiento de este compuesto en la formulación del esmalte.

Aumento A. Suspension Vs. Tiempos de secado

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Suspension (%m asa)

TIEM

PO M

IN

v

Aumento A. Suspension Vs. Viscosidad

500,0

505,0

510,0

515,0

520,0

525,0

530,0

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Sus pens ion (%m asa)

VISC

OSID

AD

CPO

ISES

v

42

Aumento A. Suspension Vs. % Solidos

51,8

52,0

52,2

52,4

52,6

52,8

53,0

53,2

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Suspe nsion (%masa)

Solid

os %

v

Aumento A. Suspension Vs. Adherencia

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Suspension (%masa)

Adh

eren

cia

%

v

Aumento A. Suspension Vs. Brillo

73,073,574,074,575,075,576,0

76,577,0

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Suspe nsion (%mas a)

BRI

LLO

GU

60

v

Aumento A. SuspensionVs. Costo

9,99,9

10,0

10,010,110,110,210,210,3

0% 1% 1% 2% 2% 3%Cantidad de A. Suspe nsion (%mas a)

Co

stos

(mile

s de

pe

sos

v

Grafico 3 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio del Agente Tixotrópico

43

Este elemento al ser un sólido que ayuda a la antisedimentación del sistema, al aumentar su cantidad ayuda al manejo de la viscosidad, % sólidos y tiempos de secado directamente, aumentando también el valor de estas propiedades pero ayuda a que se pueda cambiar su composición para controlarlas. Se tiene que aumenta el tiempo de secado y baja el brillo, pero no son cambios suficientemente drásticas para tener en cuenta, viendo que es mas importante mantener una buena fluidez del sistema y componente que ayude a la homogeneidad y estabilidad del sistema final. Es claro además que como su composición no es relevante en la formulación, no varía mucho el costo del producto final, aunque si aumenta este costo al aumentar su cantidad en la formulación.

Aumento Plastificante 2 Vs. Tiempos de secado

0,00,2

0,4

0,60,8

1,01,2

1,4

1,6

0,0% 1,0% 2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0%plastificante (%masa)

TIE

MP

O M

IN

v

Aumento Plastificante 2 Vs. Viscosidad

502,0

504,0

506,0

508,0

510,0

512,0

514,0

516,0

0,0% 1,0% 2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0%plastificante (%mas a)

VIS

CO

SID

AD

CP

OIS

ES

v

Aumento Plastificante 2 Vs. % Solidos

47,548,048,549,049,550,050,551,051,552,052,5

0,0% 1,0% 2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0%plas tificante (%m asa)

Sol

idos

%

v

44

Aumento Plastificante 2 Vs. Adherencia

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0


Adh

eren

cia

%v

Aumento Plastificante 2 Vs. Brillo

71,871,972,072,172,272,372,472,572,672,772,872,9

0,0% 1,0% 2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0%plas tificante (%masa)

BR

ILLO

GU

60

v

Aumento Plastificante 2 Vs. Costo

8,88,99,09,19,29,39,49,59,69,79,8


Co

stos

(m

iles

de

peso

s

v

Grafico 4 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio de Plastificant e aromático

Es bien importante tener en cuenta que debe hacerse todo un nuevo estudio de mercadeo para determinar que tipos de aromas agradan más al público en especial al mercado de los esmaltes cosméticos. Este tipo de material debería tener como un compuesto de bajo punto de ebullición por los que su rápida evaporación determinaría un aroma agradable para el consumidor o que por lo menos disminuya el olor fuerte de los disolventes, en sí por definición este plastificante es un plastificante de acoplamiento que ayuda a impartir propiedades de adherencia por lo que se determina un aceite esencial que mantiene un elevado peso molecular, un elevado punto de ebullición que permanece en la película, ayudando a su formación, impartiendo propiedades de adherencia y brillo por parte del aceite, pero además este tipo de compuestos a bajas concentraciones imparten aromas característicos y naturales que son aceptados fácilmente por un mercado en gran cantidad femenino.

45

El sistema más importante que ayuda a definir las propiedades del sistema formulado es el Sistema disolvente reductor de viscosidad, pues la combinación entre los disolventes y diluyentes encontrados en el sistema ayudan son los que determinan el tiempo de secado y la viscosidad del producto, un tiempo de secado bastante corto impide que la película se forme uniformemente en la uña evitando su homogeneidad, adherencia, evitando que imparta brillo, otras consecuencias son la piel de naranja, y cuarteamiento de la película por lo que se define la importancia de esta mezcla en la formulación de los esmaltes.

SDRV Vs. Tiempos de secado

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%mas a)

TIE

MP

O M

IN

v

SDRV Vs. Viscosidad

500505510515520525530535540545

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%masa)

VIS

CO

SID

AD

CP

OIS

ES

v

SDRV Vs. % Solidos

51,6

51,8

52,0

52,2

52,4

52,6

52,8

53,0

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%masa)

Sol

ido

s %

v

46

SDRV Vs. Adherencia

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%m asa)

Adh

eren

cia

%v

SDRV Vs. Brillo

64,0

66,0

68,0

70,0

72,0

74,0

76,0

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%masa)

BRIL

LO G

U 60

v

SDRV Vs. Costo

9,0

9,2

9,4

9,6

9,8

10,0

10,2

0% 5% 10% 15% 20% 25%SDRV (%m asa)

Cos

tos

(mile

s de

pes

os

v

Grafico 5 Cambio de las Propiedades del esmalte con respecto al Cambio del Sistema Disolvente Reductor de Viscosidad SDRV

Claramente se demuestra el cambio de todas las propiedades al aumentar la cantidad de disolvente en la formulación, el manejo del tiempo de secado depende directamente de la formulación del sistema disolvente debido a que disminuye el tiempo de secado, disminuye la viscosidad, disminuye la cantidad de sólidos en el sistema, además de aumentar el brillo y la adherencia hasta cierto valor en la formulación, ya que una baja cantidad de disolvente no ayuda a l mantenimiento de una viscosidad esperada, por lo que se debe disolver la resina, un valor muy alto de disolvente hace que la viscosidad baje drásticamente y pero no haya formación de película por la evaporación rápida de solvente y baja cantidad de sólidos. Es por esto que se determina una valor medio en donde las propiedades del producto final se mantienen estables.

47

Al aumentar la cantidad de disolvente se nota claramente un cambio en la disminución de los costos de la formulación final, pero en el gráfico 5 como son cambios pequeños con un costo de resina muy alto , no se ve este comportamiento. De acuerdo al análisis de todas las propiedades de acuerdo al cambio de las variables, se determina que hay productos que afectan directamente las propiedades al aumentar su cantidad, es decir que a mayor cantidad se mantiene un comportamiento específico. Pero en los compuestos en los que se tienen puntos de inflexión al cambio en sus valores en la formulación, se debe tener especial cuidado debido al cambio drástico en las propiedades del producto. Por esto se determino que la forma más clara de encontrar las mejores propiedades en una formulación se determinó por los valores de una matriz que demuestra que las propiedades obtenidas son mejores que las propiedades de los esmaltes patrón.

48

9. CONCLUSIONES

• En esmaltes cosméticos, su condición tixotrópica facilita la aplicación del fluido y la formación de la película, mejorando el cubrimiento.

• El análisis de las propiedades de los esmaltes cosméticos y la laca base patrón, ayudan a

caracterizar los esmaltes y la laca patrón, encontrando en que punto se encuentra la calidad de los productos del mercado, se encontró que una de las marcas más utilizadas. El mercado en Colombia se esta limitando a sacar cantidades grandes de producción, pero para mantener un precio sacrifican la calidad de los productos.

• La formulación de la laca de nitrocelulosa determina en mayor porcentaje el comportamiento

del producto final, ya que su esterificación determina sus propiedades intrínsecas y el grado de polimerización de la celulosa determina las condiciones de viscosidad del producto final.

• Se debe tener un especial cuidado en la relación de las resinas en la formulación para no

tener un punto de inflexión y caer en la determinación de una película demasiado flexible.

• El correcto desarrollo de las propiedades de los plastificantes se determina por la escogencia de plastificante de alto peso molecular que retarden el tiempo de secado lo suficiente para mejorar las condiciones de la película.

• El agente se suspensión no se determina obligatorio en esta formulación, pero ayuda a

mejorar sus condiciones, manteniendo homogeneidad en el producto final y haciendo un tipo de sistema base para colores, además este si stema ayuda a mejorar la aplicación de la capa de esmalte por ser un fluido no newtoniano.

• El sistema de diluyentes maneja el valor de la viscosidad y el tiempo de secado del producto

final, propiedades características de los esmaltes que se manejan con mucha fuerza en el mercado. Debido a que el tiempo de secado maneja la aplicación de una segunda capa de producto en la superficie por lo que este tiempo debe mantenerse lo suficientemente baja para las demás aplicaciones y formación homogénea de la película.

• Es importante el desarrollo de estas formulaciones porque demuestra que hay nuevos

productos por los que se podrían reemplazar los disolventes, disminuyen su contaminación por ser VOC.

• Se encontró una formulación que maneja mejores propiedades que los esmaltes más

utilizados en el mercado con un bajo costo de producción, por lo que se resalta que el margen de ganancia con este tipo de productos es alto.

• Los objetivos del proyecto se cumplieron completamente, desarrollando un nuevo producto

con un valor agregado listo para el mercado exclusivo del sector cosmético

49

10. ANEXOS

10.1. Obtención de la Nitrocelulosa La nitrocelulosa se obtiene de la reacción entre soluciones de ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3) con fibras de algodón (celulosa) 49, de acuerdo con la Ilustración 8.1.

Ilustración 3 Esterifi cación de la Celulosa como Nitrocelulosa.

Es una reacción que debe ser controlada ya que el grado de esterificación o sustitución en la nitrocelulosa le determinan sus propiedades intrínsecas. De igual forma, el grado de polimerización de la celulosa fuente regirá la viscosidad del producto final. Como materia prima para esmaltes cosméticos, se recomienda que la nitrocelulosa tenga un grado de su stitución dos (2)50: sustitución de dos de los tres grupos alcohólicos presentes. 10.2. Reología y Agentes de Suspensión La industria cosmética actual, en su afán por satisfacer las cambiantes corrientes de la moda, ha venido incluyendo, para el caso de los esmaltes, nuevos colores y materiales que imparten aspectos iridiscentes y perlados. Esto conlleva un problema en las formulaciones tradicionales51 ya que, por su elevado peso, pueden causar precipitaciones en envase y películas aplicadas no uniformes. Como solución, se han incluido fluidos no newtonianos que dan soporte a dichos pigmentos e imparten propiedades de flujo y facil idades de aplicación. Estos fluidos, definidos como tixotrópicos, se comportan mecánicamente como se describe a continuación. El elemento cúbico de la Ilustración 252 sufre un esfuerzo de corte causado por una fuerza F aplicada sobre el área superficial del elemento, con área transversal A. Se definen τ y γ como los esfuerzos de deformación y esfuerzos de corte respectivamente, de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

49 Referencia Vollhardt, Págs. 1097 50 El nombre técnico de este tipo de nitrocelulosa es Piroxilín – Dinitrocelulosa. 51 Referencia Wilkinson, Págs. 418-437 52 Referencia Wilkes, Pág.

50

Ilustración 4 Elemento Cúbico bajo un Esfuerzo de Corte causado por una Fuerza F.

• AF

=τ (ecuación 7.2.1)

• YX

=γ (ecuación 7.2.2)

La primera derivada en el tiempo, llamada tasa de corte, del esfuerzo de corte γ, resulta en

[ ]11 −•

== sdtdx

yγ si se asume que ctey = como consecuencia de un bajo grado de deformación,

tal como ocurre en los esmaltes cosméticos, donde el pincel aplicador ejerce una fuerza F de corte sobre películas aplicadas de esmalte con espesor de película ctey = . 10.2.1. Viscosidad de fluidos poliméricos La viscosidad de un sistema describe qué tan fácil se deforma cuando se le es aplicada una tasa de corte. Se define como la relación entre el esfuerzo de deformación observado y la tasa de corte aplicada. De esta relación se deriva la ley básica de flujo, derivada a su vez de la Ley de Viscosidad de Newton. Esta ecuación es la 7.2.3.

• •

= γξτ (ecuación 7.2.3)

• [ ] [ ]sPasPaAF

./

1=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡=

−•

γξ (ecuación 7.2.4)

La ecuación 7.2.3 es lineal por naturaleza y rige a los llamados fluidos newtonianos, descritos por la línea A de la Ilustración 3. Sin embargo, existen fluidos que se desvían de este comportamiento lineal y reciben el nombre de fluidos Dilatantes (línea B) y fluidos Pseudoplásticos (línea C).

51

Ilustración 5 Viscosidad de Fluidos Newtonianos y no Newtonianos.

Para obtener una ecuación que describa el comportamiento mecánico tanto de los fluidos Dilatantes como los fluidos Pseudoplásticos, se implementa el Método de Construcción de Secantes (MCS),

trazando gráficamente secantes que parte del origen – Coordenada (0,0) del gráfico •

γτ vs. - hasta cualquier punto de las curvas de ambos tipos de fluidos (Ilustración 4). La pendiente de estas líneas rectas se denota como “viscosidad aparente” definida en un punto específico de corte. Si se tabulan y grafican los puntos de corte calculados (Ilustración 5), se obtienen curvas de viscosidad contra tasa de corte a partir de las cuales se llega a la ecuación de ley de potencia.

Ilustración 6 Construcción de Secantes y Viscosidad Aparente.

52

Ilustración 7 Dependencia de la Viscosidad de Fluidos no Newtonianos de la Tasa de Corte.

La ley de potencia, descrita en la ecuación 7.2.5, es entonces deducida, experimentalmente, a partir del ajuste de líneas de tendencia con las que se obtienen el coeficiente A y el exponente B característicos del fluido bajo análisis.

• B

A•

= γτ (ecuación 7.2.5) Es claro que el valor del exponente B de la ecuación 7.2.5 indica inmediatamente si el fluido bajo análisis es Newtoniano o no Newtoniano: si es igual 1, el fluido será definido como Newtoniano; será definido como fluido Dilatante o engrosador si B es mayor que 1 mientras que será definido como Pseudoplástico o adelgazante si B es menor que 1. De acuerdo con la literatura consultada53, las lacas bases con propiedades suspensoras, formuladas con sistemas tixotrópicos como las Bentonas y algunas arcillas coloidales, disminuyen su viscosidad en función del tiempo de agitación, tal como ocurre con los sistemas pseudoplásticos. Esto plantea la posibilidad de definir a los esmaltes cosméticos como fluidos no Newtonianos tipo Pseudoplástico. Sin embargo, debe anotarse que, además de que los fluidos Dilatantes y Pseudoplásticos inician la variación de su visco sidad una vez son expuestos a las fuerzas de corte, existen fluidos que parecieran comportarse como newtonianos al inicio de la exposición a dichas fuerzas para luego comportarse como fluidos no newtonianos. Los fluidos que presentan este tipo de comportamiento mecánico se llaman fluidos Bingham Newtonianos, presentados por la Ilustración 6 y la Ilustración 7.

53 Referencia Wilkinson, Págs. 418-437

53

Ilustración 8 Dependencia de los Esfuerzos de Deformación de Fluidos Bingham Newtonianos con Tasas de

Corte Aplicados.

Ilustración 9 Viscosidad de Fluidos Bingham Newtonianos

El comportamiento de fluidos Bingham Newtonianos se caracteriza entonces por la presencia de τc , el esfuerzo de deformación crítico, que sugiere algún grado de estructura molecular y la necesidad de una tasa de corte inicial para quebrar esta estructura y el sistema empiece a fluir54. Con esto, la definición de la mecánica de flujo de los esmaltes cosméticos como fluidos Pseudoplásticos o fluidos tipo Bingham Newtoniano Adelgazador dependerá de pruebas de laboratorio que establezcan valores numéricos del exponente B (en la ecuación exponencial) y de τc en las curvas representadas en la Ilustración 6.

54 Referencia Wilkes, Pág. 30

54

10.3 Determinación de Esmaltes Patrón Determinar un patrón de esmaltes tiene como finalidad establecer un punto de referencia para evaluar las propiedades de los ensayos de formulación. Dado que las formulaciones a desarrollar son las de un Sistema Base (incoloro, para aplicación directa sobre las uñas) y un Sistema Completo – Sistema Base con Propiedades Suspensoras y Sistema Color – (para aplicación directa sobre la capa base ya seca), la caracterización de los patrones será efectuada de acuerdo con las normativas técnicas vigentes:

• Norma Técnica ICONTEC NTC 598: “Método de ensayo para la determinación del secado, curado, formación de película de recubrimientos orgánicos a temperatura ambiente”. Para implementar al Sistema Base y al Sistema Completo.

• Norma Técnica ICONTEC NTC 811: “Determinación de la adherencia”. Para implementar al

Sistema Base y al Sistema Completo.

• Norma Técnica ICONTEC NTC 2735: “Laca base tixotrópica para esmalte cosmético de uñas”. Para implementar al Sistema Base.

• Norma ASTM D 523: “Gloss”. Para la implementación al Sistema Base y al Sistema

Completo. 10.3.1. Determinación del Patrón para el Sistema Base (PSB) Para determinar el Patrón Del Sistema Base se escogen esmaltes comerciales a los cuales se les implementará las Normas Técnicas mencionadas, además de pruebas específicas de resistencia al rallado, brillo y adherencia. Las marcas comerciales de referencia para la determinación del Patrón Base son: 1) Vogue “Ultra Base”, 2) Masglo “Base Fortalecedora” y 3) Ghem “Base Endurecedora”. De acuerdo con las normas NTC 598, NTC 811, NTC 2735 y ASTM D 523, las pruebas a realizar se especifican en la Tabla 7. El número de réplicas inicialmente definidas es de mínimo tres (3).

Variable a Número de ReferenciaEvaluar Manipulaciones

Secado al Tacto 1 NTC 598Seco a Fondo 1 NTC 598% Humedad 1 NTC 2735 Y USP 24 (SR)Sólidos Totales 1 NTC 2735 (SR)Viscosidad 1 NTC 2735 (SR)Adherencia 1 Industria (SR)Brillo 1 IndustriaResistencia al Rallad 1 IndustriaEspesor Película 1 IndustriaTOTAL sin Réplica 9TOTAL con Réplica 44

Tabla 29 Diseño Experimental para la Determinación del Patrón Base. Sin embargo, dada la aparente imprecisión de los resultados por la variación de las condiciones del laboratorio55, se hizo necesario aumentar el número de réplicas a mínimo ocho (8). Esto quiere decir que para lograr la caracterización de una sola base hacen falta un mínimo de cuarenta y cuatro (44) pruebas, que, junto con la caracterización del total de bases, resultan en un mínimo de 132 experimentos en laboratorio. Los resultados, de acuerdo con el numeral 7.3.1.1, son:

55 Condiciones variables dadas las instalaciones actuales.

55

Para determinar el Patrón Del Sistema Co mpleto se escogen esmaltes comerciales a los cuales se les implementará las Normas Técnicas mencionadas, además de pruebas específicas de resistencia al rallado, brillo y adherencia. Las marcas comerciales de referencia para la determinación del Patrón Completo son: 1) Vogue , 2) Masglo y 3) Ghem.

Tabla 30 Normas Técnicas NTC Utilizadas

De acuerdo con las normas NTC 598, NTC 811, NTC 2735 y ASTM D 523, las pruebas a realizar se especifican en la Tabla 30, excepto por el cálculo de tixotropía, que reemplaza los valores de viscosidad. El número de réplicas, también tres (3) inicialmente, ahora se definen como mínimo ocho (8). Esto quiere decir que para lograr la caracterización de un sólo patrón completo hacen falta un mínimo de cuarenta y cuatro (44) pruebas, que, junto con la caracterización del total de Sistemas Completo, resultan en un mínimo de 132 experimentos en laboratorio. 10.3.2 Punto de ebullición Para el caso de la formulación de esmaltes cosméticos es muy importante el desarrollo de las propiedades de cada compuesto, en general como este producto depende de su velocidad de evaporación, el tema del punto de ebullición es de gran importancia para que cada producto aporte mayor o menor capacidad de evaporación al esmalte dependiendo de cómo este producto se desarrolla en la formulación, es claro que los componentes llamados disolventes y diluyentes deben tener un valor medio de evaporación para permitir un secado rápido pero no lo suficiente para que haya una buena formación de la película y adherencia del esmalte a la uña.

56

En la tabla a continuación se muestra el valor del punto de ebullición de los componentes de la formulación.

SUSTANCIA PUNTO EBULLICION (°C) Tolueno 110.8 Xileno 138

Acetato de etilo 77 Acetato Butilo 126

Ftalato de Butilo 340 Tabla 31 Puntos de ebullición de los componentes de la Formulación

10.4 Hojas de seguridad En las siguientes hojas anexas se encuentran las hojas de seguridad de las sustancias principales utilizadas en el experimento.

57

10.4.1 Hoja de Seguridad de Acetato de Etilo

58

10.4.2 Hoja de Seguridad de Acetato de Butilo

59

10.4.3 Hoja de Seguridad de Xileno

60

10.4.4 Hoja de Seguridad de Tolueno

61

11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Fried, J. R., “Polymer science and technology”, Upper Saddle River, New Jersey, Prentice Hall, 1995.

2. Odian, George G., “Principles of polimerization”,4th ed., Hoboken, N.J., John Wiley & Sons, c2004.

3. Kirk-Othmer., Concise Encyclopedia of chemical technology. 3a ed., Vol XVI, New York : Wiley, c1978-c1984.

4. Kirk, Raymond Eller., “Encyclopedia of chemical technology”, 3rd. ed., New York Wiley, c1978-c1984.

5. Douglas, C. 1991. Diseño y análisis de experimentos. Grupo editorial Iberoamericana. México: 175-211; 241-297.

6. Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. Norma técnica colombiana. NTC 1335.

7. Temple C. 1979. Paint Flow and Pigment dispersion. Second edition. John Wiley and Sons Inc. NY

8. Cámara de Comercio de Bogotá, “Base de Datos a la Medida – Una herramienta para la competitividad de sus negocios”; Recuperado de disco multimedia el jueves 23 de Febrero de 2006.

9. Estrada, J.M., “Curso de Cosméticos”; Facultad de Química Farmacéutica – Universidad de Antioquia, 1989.

10. Vollhardt, K. P., Schore, N.E., “Organic Chemistry – Structure and Function”; Third Edition, W. H. Freeman and Company, New York, 1998.

11. Wilkinson, J.B., Moore, R.J., “Cosmetología de Harry”; Ediciones Díaz de Santos S.A., 1990, Juan Bravo 3A 28006, Madrid.

12. Wilkes, G. L., “Rheology of Polymers With an Emphasis on Polymer Melts”; 13. Wilkinson, J.B., Moore, R.J., “Cosmetología de Harry”; Ediciones Díaz de Santos S.A., 1990,

Juan Bravo 3A 28006, Madrid. 14. Referencia Sitio Web, Faryniarz, Joseph R.; Miner, Philip E., “Nail Polish Remover” – United

States Patent 5486305. Recuperado el 4 de junio de 2006 de http://www.FreePatentsOnline.com

15. Norma Técnica ICONTEC NTC 592 “Determinación del Brillo”. 16. Norma Técnica ICONTEC NTC 2735: “Laca base tixotrópica para esmalte cosmético de

uñas”. Para implementar al Sistema Base. 17. Norma Técnica ICONTEC NTC 598: “Método de ensayo para la determinación del secado,

curado, formación de película de recubrimientos orgánicos a temperatura ambiente”. 18. Norma Técnica ICONTEC NTC 811: “Determinación de adherencia”. 19. Norma Técnica ICONTEC NTC 996: Aplicación para ensayos de sistemas solventes”. 20. Para en concepto de sistema Patrón se util iza la Marca reconocido con el nombre:

“MASGLO” 21. Para en concepto de sistema Patrón se utiliza la Marca reconocido con el nombre: “GHEM” 22. Para en concepto de sistema Patrón se utiliza la Marca reconocido con el nombre: “VOGUE

62

NOMENCLATURA

• CpDISOL, Capacidad Calorífica del Disolvente, Ckg

Joul•

• HlvDISOL, Entalpía de Vaporización del Disolvente,

CkgJoul

•

• PMDISOL, Peso Molecular del Disolvente

• lu/so, Relación de tolerancia o dilución entre el Diluyente y el Disolvente

• tb, Temperatura de Ebullición, ªC

• tVE, Velocidad Real de Evaporación, ªC

• % WTi, Porcentaje Peso a Peso del componente i en un Sistema Formulado

• SDRV, Sistema disolvente reductor de viscosidad

• SEBF, Sistema esmalte Base formulado

• N/A, No aplica para el caso

• UN, Unidad

DESARROLLO DE UN ESMALTE COSMETICO AROMATIZADO A PARTIR DE ...

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