EFECTO DEL POLIOL POLIÉSTER EN ESPUMAS RÍGIDAS DE POLIURETANO
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i EFECTO DEL POLIOL POLIÉSTER EN ESPUMAS RÍGIDAS DE POLIURETANO CARLOS MAURICIO VALDERRAMA MAYORGA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2004
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EFECTO DEL POLIOL POLIÉSTER EN ESPUMAS RÍGIDAS DE POLIURETANO
CARLOS MAURICIO VALDERRAMA MAYORGA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2004
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EFECTO DEL POLIOL POLIÉSTER EN ESPUMAS RÍGIDAS DE POLIURETANO
CARLOS MAURICIO VALDERRAMA MAYORGA
Monografía para optar al título de Ingeniero Mecánico.
Asesor MIGUEL W. QUINTERO
Ingeniero Químico.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2004
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AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a: A Miguel W. Quintero, ingeniero químico y asesor de este trabajo de grado, por su experiencia y valiosos conocimientos. A Expumlatex Ltda., especialmente a Rubén Arias, ingeniero químico de esta empresa, por su interés en la realización de este proyecto. A José Ramirez, por su espíritu de colaboración desinteresado y valiosa ayuda en toda la parte práctica de este trabajo. Finalmente a mi novia y a mi familia, por su apoyo y confianza incondicional, para hacer las cosas bien.
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 1. MARCO TEÓRICO 1.1 GENERALIDADES DE LAS ESPUMAS RÍGIDAS 1.2 CASO DE LOS REFRIGERANTES Y AGENTES ESPUMANTES CON NORMAS MEDIO-AMBIENTALES 1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ESPUMAS DE POLIURETANO 1.3.1 Polioles 1.3.2 Isocianato 1.3.3 Aditivos 1.4 FORMACIÓN DE ESPUMAS RÍGIDAS 1.4.1 Tiempos de reacción 1.5 REACCIONES BÁSICAS DEL GRUPO ISOCIANATO 1.6 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ESPUMAS RÍGIDAS 1.6.1 Resistencia a la compresión 1.6.2 Conductividad térmica 2. FORMULACIÓN 3. DESARROLLO DEL PROYECTO 3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 3.2CARACTERÍSTICAS DE LAS VARIABLES DE RESPUESTA 3.3 SELECCIÓN DE LOS FACTORES Y SUS NIVELES
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3.3.1 Factor tipo de poliol 3.3.2 Factor porcentaje de poliol 3.3.3 Factor proporción de gases producidos 3.4 ELECCIÓN DEL DISEÑO EXPERIMENTAL 3.5 NÚMERO DE OBSERVACIONES A TOMAR 3.6 OBTENCIÓN DE LAS PRUEBAS ESTADÍSTICAS Y VALIDACIÓN DE SUPUESTOS 4. PROTOCOLO DE TRABAJO 4.1 HERRAMIENTAS Y EQUIPOS 4.2 MEDIDAS DE DESEMPEÑO 4.3 PROCEDIMIENTO GENERAL 4.3.1 Desarrollo experimental 4.3.2 Pruebas físicas 4.3.3 Método de ajuste de datos, para el análisis de la rewsistencia a la compresión 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 5.1 MODELO MATEMÁTICO 5.2 ANÁLISIS DE LOS DATOS PARA LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 5.2.1 Análisis de la compresión, estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma 5.2.1.1 Validación de supuestos 5.2.1.2 Análisis de los factores y sus interacciones 5.2.2 Análisis de la compresión, estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma 5.2.2.1 Validación de supuestos 5.2.2.2 Análisis de los factores y sus interacciones 5.3 ANÁLISIS DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 5.3.1 Validación de supuestos 5.3.2 Análisis de los factores y sus interacciones
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6. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
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LISTA DE CUADROS
Cuadro 1. Anisotropía del valor K. Cuadro 2. Estructura general de las formulaciones. Cuadro 3. Diseño experimental. Cuadro 4. Conductividad térmica de algunos gases. Cuadro 5. Matriz de resultados para la resistencia a la compresión estimada en sentido normal al crecimiento. Cuadro 6. Tabla de anova para la resistencia a la compresión estimada en sentido normal al crecimiento. Cuadro 7. Matriz de resultados para la resistencia a la compresión estimada en sentido paralelo al crecimiento. Cuadro 8. Tabla de anova para la resistencia a la compresión estimada en sentido paralelo al crecimiento. Cuadro 9. Matriz de resultados para la conductividad térmica. Cuadro 10. Tabla de anova para el análisis de la conductividad térmica.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estructura de las celdas. Figura 2. Estructura química del isocianato. Figura 3. Tiempos de rección de las espumas rígidas. Figura 4. Resistencia a la compresión medida al 10%. Figura 5. Efecto de la densidad y la temperatura, en la resistencia a la compresión. Figura 6. Factor K vs. Densidad. Figura 7. Molde de aluminio para producir poliuretano. Figura 8. ANACON TCA8-88. Figura 9. Punto de referencia para medir la temperatura promedio del molde. Figura 10. Ubicación de la probeta, para medir la conductividad térmica. Figura 11. Partes en las que se divide el molde, con sus respectivas probetas para medir propiedades. Figura 12. Orientación dentro del molde de las probetas, para medir la resistencia a la compresión. Figura 13. Resistencia a la compresión vs. Densidad Figura 14. Funciones DE resistencia a la compresión, medidas en sentido paralelo y normal al crecimiento de la espuma, para tres métodos diferentes.
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Figura 15. Prueba de estandarización, con tres métodos diferentes, para la resistencia a la compresión. Figura 16. Prueba Kolmogorov-Smirnov para la resistencia a la compresión, estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma. Figura 17. Diagrama de residuos, para la resistencia a la compresión, estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma. Figura 18. Efecto de cada uno de los factores, en la resistencia a la compresión, medida en sentido normal. Figura 19. Efecto de las interacciones de los factores, en la resistencia a la compresión, medida normal al crecimiento. Figura 20. Superficie de respuesta, para la interacción del porcentaje de poliol y el factor proporción de gases. Figura 21. Prueba Kolmogorov-Smirnov para la resistencia a la compresión, estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma. Figura 22. Diagrama de residuos, para la resistencia a la compresión, estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma. Figura 23. Efecto de cada uno de los factores, en la resistencia a la compresión, medida en sentido paralelo. Figura 24. Efecto de las interacciones de los factores, en la resistencia a la compresión, medida paralelo al crecimiento. Figura 25. Prueba Kolmogorov-Smirnov, para la conductividad térmica. Figura 26. Diagrama de residuos, para la conductividad térmica. Figura 27. Resultado de los efectos principales, sobre la conductividad térmica. Figura 28. Superficie de respuesta, para la interacción del porcentaje de poliol y el factor proporción de gases. Figura 29. Efecto de la interacción de los factores, en la conductividad térmica.
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LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Datos recolectados.
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GLOSARIO AGITADOR: Nombre que se le asigna a la máquina que realiza la mezcla de diferentes elementos químicos para el análisis y producción de espumas en poliuretano. ANOVA: Tabla estadística donde se muestra el efecto de la variabilidad de alguna propiedad, debida al efecto de algunos factores y sus interacciones. CELDAS: Cavidades en la estructura de las espumas una vez que las paredes de ésta se han polimerizado y solidificado por completo. Al variar la composición química en la fase polimérica y las condiciones de espumado, se genera una espuma donde se puede encontrar una celda abierta o una celda cerrada. Siendo esta última la que mas predomina. En la figura 1 se muestra: a. Celda abierta y b. Celda cerrada.
Figura 1. Estructura de las celdas
CURADO: Término que se refiere al instante donde se obtiene una completa realización de la reacción química. Teóricamente este instante se da cuando la espuma adquiere el 100% de sus propiedades físicas. ÍNDICE: Razón estequiométrica del isocianato requerido con la cantidad de hodrógeno activo (poliol), en función de la mezcla de reacción. INICIADOR: Compuesto que posee átomos de hidrógeno o grupo hidroxilio (OH) en su estructura, pudiendo ser agua, glicoles en general, glicerina, aminas o azúcar.
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PESO MOLECULAR: Es la suma de todos los pesos atómicos de todos los átomos de una molécula. Cada átomo tiene un peso atómico que es comparado con el del carbono. PIR: Espuma rígida de poliisocianurato. P-VALUE: Término estadístico en lenguaje inglés que se refiere a la probabilidad de la cola derecha resultante por un valor de prueba calculado en alguna distribución estadística. Es decir es la probabilidad de que un valor, dentro de una distribución estadística ya especificada, sea mayor al valor de prueba calculado. Cuando se desea mostrar que en algún fenómeno cualquiera hay una variación significativa, debida a un factor o conjunto de factores interactuando, con respecto a un error previamente establecido, se espera que el P-value sea igual o menor al error establecido para poder demostrar que la variación en realidad existe y es debida a los factores analizados. En caso de estadísticas de prueba de normalidad, como la Kolmogorov-Smirnov, se espera que el P-value sea mayor al error aceptado, para no rechazar la hipótesis nula, en la cuál se acepta que la distribución que sigue los datos es Normal. PUR: Espuma rígida de poliuretano. TIEMPO DE DESMOLDE: Es el tiempo mínimo que debe transcurrir, desde el momento en que se vierte la mezcla en el molde, hasta que la pieza pueda ser retirada de éste, sin que sufra algún tipo de deformación por falta de curado.
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RESUMEN Este proyecto tiene como objetivo mejorar una formulación de poliuretano a partir del efecto presentado en la implementación de un poliol poliéster en ésta. Para ello se va a trabajar con dos polioles poliéster diferentes y se han establecido los factores y sus respectivos niveles dentro de las formulaciones que pueden presentar variación importante en las propiedades que se van a estudiar. Las propiedades a tener en cuenta son la conductividad térmica y la resistencia a la compresión. Se desea poder desarrollar una espuma rígida de poliuretano con la menor conductividad térmica posible y la mayor resistencia a la compresión. Para lograr este objetivo se ha desarrollado un estudio bibliográfico extenso, se ha realizado proyectos experimentales similares, se ha tenido la asesoría de profesores, profesionales y técnicos expertos en el tema y se tiene la participación conjunta de la empresa Expumlatex Ltda. Para tener un sistema apropiado en el análisis de los datos recolectados, se ha aplicado teoría estadística y de diseño de experimentos que lleven a conclusiones verídicas para enfocar este trabajo lo más eficientemente posible.
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INTRODUCCIÓN
Nuestro país, al ser catalogado con un país en desarrollo y aún tener una
tecnología básica en la producción de estas espumas, continua aún usando
HCFC-141b como agente soplante, aunque ya se han realizado algunos proyectos
de prueba para mirar el efecto del HFC-245fa y lograr disminuir el consumo del
141b, ya que según lo tratado por el Protocolo de Montreal, el consumo del HCFC-
141b se debe estancar hasta el año 2015 y se debe eliminar por completo para el
2040.
Actualmente como parte de este proceso de actualización ambiental en la
utilización de refrigerantes y agentes soplantes se han llevado a cabo varios
proyectos universidad-empresa, como los realizados con compañías como
Expumlatex Ltda. Ellos buscan optimizar las propiedades de espumas rígidas que
contribuyan a la formación académica y tecnológica de las partes involucradas.
Las dos propiedades que mas han caracterizado a las espumas en poliuretano
son la resistencia a la compresión, por el aporte que hacen en la parte estructural
del producto, y la conductividad térmica, que en la mayoría de casos es la más
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importante por el ahorro de energía al ser utilizado como aislante térmico,
principalmente en la industria de la refrigeración.
El objetivo de este trabajo es observar el efecto del poliol poliéster en espumas
rígidas de poliuretano. Se definió una serie de pasos para poder lograrlo:
• Estudio previo de la teoría de espumas rígidas de poliuretano y sistemas
de producción.
• Definir que poliol poliéster es un buen candidato para analizar dentro del
proyecto.
• Familiarización con la formulación base entregada por la empresa
Expumlatex Ltda..
• Determinación de los factores y sus respectivos niveles para definir el
diseño experimental general.
• Desarrollo de cada una de las formulaciones, según los tratamientos
resultantes del diseño experimental.
• Definición del protocolo de trabajo.
• Familiarización de equipos de producción de espumas y equipos
medición de propiedades.
• Recolección y análisis estadístico de los datos arrojados por cada una
de las formulaciones desarrolladas.
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• Definir la formulación que presente mejores resultados, según lo que se
busca en cada una de las propiedades analizadas.
La consecución de este proyecto se llevó a cabo en las instalaciones del centro de
investigación en el procesamiento de polímeros (CIPP), de la Universidad de los
Andes, ubicado en la zona industrial de Bogotá.
La posible consecución de este proyecto es debido a que la Universidad de los
Andes dispone de los laboratorios y equipos adecuados para la producción de
espumas en poliuretano, a la vez que cuenta con profesores y técnicos con
bastante experiencia en la ejecución de este tipo de tesis. Además la empresa
Empumlatex Ltda. proporcionó el 100% de los químicos necesarios y su amplia
experiencia en la formulación de estas espumas.
Para lograr obtener resultados lo más claros y certeros, dentro de esta
investigación, se ha basado completamente para el análisis de los datos, de la
teoría estadística de Diseño de Experimentos.
Se utilizó un mismo diseño experimental para cada variable de respuesta:
resistencia a la compresión en las orientaciones X, Y, Z y para la conductividad
térmica. Se aplicó el diseño experimental general, ya que se tienen dos factores a
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dos niveles y otro factor a cuatro, como puede observarse más adelante en el
capítulo cuatro. Este análisis estadístico se elaboró con la ayuda de herramientas
como Excel y el paquete estadístico de MINITAB versión 13.
Dentro del contenido de este documento se va a encontrar que la forma de
resolución de la situación planteada y las definiciones teóricas y prácticas aquí
descritas, son similares o bastantes parecidas a lo planteado en un proyecto
previo llamado “Optimización de una formulación en poliisocianurato”,1 ya que los
procedimientos, tanto teóricos como prácticos de estas dos tesis, se realizaron de
la misma forma.
Como observación final se espera que este trabajo sea de bastante provecho,
como base para la consecución de futuros proyectos y que haya sido de beneficio
para la empresa Expumlatex Ltda. dentro de su área de investigación y desarrollo.
1 CARDENAS Jairo y VALDERRAMA Mauricio, Optimización de una formulación en poliisocianurato. Bogotá: Universidad de los Andes. Diciembre de 2002.
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1. MARCO TEÓRICO
1.1 GENERALIDADES DE LAS ESPUMAS RÍGIDAS
Las espumas en poliuretano componen la familia más extensa de espumas
poliméricas rígida y termoestables. La reacción presente en estas espumas es
exotérmica y los líquidos involucrados en esta , tienen generalmente una baja
viscosidad. El cambio de las proporciones y del tipo de químicos empleados en las
formulaciones, altera las propiedades de las espuma y hace que obtengan ciertas
características, según la aplicación. Las espumas rígidas son una mezcla
homogénea de dos componentes fundamentales: un componente A, que contiene
una mezcla generalmente de polioles, catalizadores, agentes soplantes, agua y
surfactantes , y un componente B que es generalmente disocianato de
difenilmetano o MDI.
Son bastantes las propiedades que se pude tener en cuentan para las espumas
rígidas que pueden verse alteradas, no sólo por los químicos empleados, sino
también por otras características como la densidad, el tamaño de la celda,
humedad relativa, temperatura del ambiente, estructura de la celda, etc. Entre las
principales propiedades de estas espumas se encuentra: la conductividad térmica,
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resistencia a la compresión, resistencia a la tensión, estabilidad dimensional,
resistencia química, coeficiente de expansión térmica, absorción de agua y
retardancia a la llama (generalmente para espumas rígidas en poliisocianurato).
1.2 CASO DE LOS REFRIGERANTES Y AGENTES ESPUMANTES CON
NORMAS MEDIO-AMBIENTALES
En la actualidad el tema de desarrollo y producción de espumas de poliuretano es
aún un reto bastante grande, tanto para empresarios que esperan que este sector
continué siendo de alto desempeño, como para organizaciones ambientales que
velan por asegurar un desarrollo sostenible a como de lugar. Por estas
regulaciones y principalmente con lo que concierne al Protocolo de Montreal,
desde hace ya varios años se ha creado una importante discusión en la
implementación y uso de agentes refrigerantes y espumantes que ocasionan un
agotamiento de la capa de ozono terrestre. Estos químicos contienen sustancias
tales como flúor y cloro que son los causantes de este lastimoso fenómeno.
Según las propiedades expuestas en teoría de transferencia de calor, la
conductividad de las PUR se divide por la conductividad térmica del sólido que la
compone, por la transferencia de calor debida a la radiación y por la conductividad
del gas confinado dentro de la espuma. Este último mecanismo de transferencia
es el causante de que en algunas espumas, la transferencia total del calor sea en
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un porcentaje mayor al cincuenta por ciento debido al gas contenido entre las
celdas. Esto ha provocado que la implementación de un agente soplante que
tenga una baja conductividad térmica, sea una determinación inicial en la
producción de espumas rígidas, pero definitivamente que sea una sustancia libre
de elementos como cloro, es actualmente la más relevante.
Hasta la década de los 80´s el HCFC-11 era el agente soplante más utilizado por
su excelente conductividad térmica, aproximadamente de 0.05 BTU*in/hr.*ft2*ºF,
pero su alto poder de agotamiento de la capa de ozono hizo que se buscara
alternativas como la implementación del HCFC-141b que tiene una conductividad
térmica casi tan buena como la del CFC-11, aproximadamente 0.08
BTU*in/hr.*ft2*ºF, y presenta un potencial de agotamiento de la capa de ozono en
casi un 90% menos.2
Por el contenido de flúor que tiene el CFC-141b países de Europa como Alemania
prohibieron su uso como agente espumante y actualmente lo es para países
desarrollados. Por ello se ha visto la necesidad de reemplazarlo por sustancias
como el HFC-245fa, que ya es producido en países como Estados Unidos y el
2 WENCESLAO, Miguel. La industria de la refrigeración y el Protocolo de Montreal. Bogotá. Boletín Ozono, una publicación del Ministerio del Medio Ambiente y la Unidad Técnica de Ozono. Enero de 2003. p.2.
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ciclopentano, que es un ejemplo de las sustancias utilizadas, principalmente en
Europa.3
1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ESPUMAS DE POLIURETANO
1.3.1. Polioles. Son compuestos polihidroxilados, es decir, sustancia que poseen
varios grupos hidroxilos. El poliol es el producto de la reacción de un iniciador y un
óxido de propileno o etileno que poseen dos características que influyen en las
propiedades del producto final. Estas dos características son la funcionalidad y el
peso molecular. Gracias a estas propiedades dentro del mundo de los uretanos
existen los dioles, trioles y de tretaroles a octoles siendo estos dos últimos polioles
de funcionalidad cuatro y ocho, usados en la fabricación de espumas rígidas. La
formula general del poliol puede presentarse como R-OH.4 Químicamente los
polioles se dividen en dos grandes grupos: poliol poliéter que son polímeros que
contienen enlaces éter (-C-O-C-) y poliol poliéster que son polímeros que
contienen enlaces éster (-O-C=O). Ambos tipos de poliol tienen grupos de
hidroxilios reactivos al final de la cadena.
Dentro de la consecución de las espumas rígidas, la selección de los polioles
envuelve un gran número de factores sumados a las dos características ya
3 Ibid., p.2. 4 DOW QUÍMICA ARGENTINA. Manual sobre tecnología de aplicación de espumas rígidas de poliuretano. Buenos Aires. p.6.
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mencionadas. Por ejemplo el poliol poliéster tiende a ser más viscosos y difíciles
de manipular, que el poliol poliéter. La selección de un poliol poliéter puede darse
por la compatibilidad con retardantes a la llama y otros aditivos. El poliol poliéster
se considera como compuestos que mejoran la retardancia a la llama y resistencia
al calor de las espumas rígidas5, por ello que sea muy usado.
Según estadísticas realizadas en 19906, de 5.8 billones de libras de poliol
empleado en la manufactura de poliuretanos, el 90% era poliol poliéter y el 10%
era poliéster.
El poliol poliéter tiene una polimerización tremendamente exotérmica,
principalmente cuando hay un alto contenido de óxido de etileno. El peso
molecular puede variar de 200 a 2000 y la densidad está aproximadamente entre
1 y 1.1 gr/cm3. Son materiales higroscópicos y su color tiende generalmente a ser
un café transparente. La solubilidad en agua decrece con el incremento del peso
molecular y en general tienen buena solubilidad en hidrocarbonos aromáticos y
halogenados. El punto de flash, de acuerdo con DIN 51755 y 51758 es alrededor
de 100ºC.
5 OERTEL, Gunter. Polyurethane Handbook. Munich, Viena, New York, Barcelona: Hanser Plublishers, 1985. p.56. 6 Ibid.,p.55.
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Los poliéster para poliuretanos son producidos exclusivamente usando un exceso
de los componentes alcohólicos. Tienen un peso molecular promedio de 400 a
6000, un número de hidroxilos de 28 a 300 mg KOH/g y un número de ácidos
menor de 1 mg KOH. La densidad es relativamente alta y está aproximadamente
entre 1.1 y 1.3 gr/cm3 Cuando el poliéster es construido con cadenas largas, se
incrementa su resistencia a influencias hidrolíticas, al disminuir el contenido de
grupos éster. El poliéster es más o menos higroscópico y por lo tanto debe ser
protegido de la humedad atmosférica. Los polioles poliéster no son siempre
miscibles entre ellos y generalmente son inmiscibles con los polioles poliéter.
Estos son solubles en agua y usualmente se usan solventes como acetona,
tolueno y acetato para mejorar la solubilidad. El punto de flash, de acuerdo con
DIN 51758 es alrededor de 200ºC.7
1.3.2. Isocianato. Es una sustancia química que posee un grupo isocianato (-
N=C=O). En la familia de espumas rígidas los isocianatos más comunes son el
TDI (Disocianato de Tolueno) y el MDI (Disocianato de Difenil Metano). Ver figura
2. La alta reactividad de los grupos NCO son claves en la química de los
poliuretanos por su alto contenido energético y por dar la posibilidad de permitir los
dobles enlaces en reacciones múltiples. Por esta razón los isocianatos son los
productos orgánicos intermedios más usados en la industria química.8
7 Ibid.,p.71. 8 Ibid., p.63.
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Cuando se trabaja con un exceso de isocianato (índice de 125 a 500) y con
catalizadores específicos dentro de una formulación, se logra reaccionar el exceso
de isocianato entre sí, aumentando el número de anillos aromáticos dentro de la
estructura química, mejorando las propiedades de retardancia a la llama. Esta
característica es propia de la espumas rígidas en poliisocianurato.
Figura 2. Estructura química del isocianato.
1.3.3. Aditivos. Los catalizadores son agentes que aceleran o retrasan el tiempo
de reacción de un proceso químico, ya que dependiendo de éste aumenta o
disminuye la energía de reacción del sistema alterando las condiciones normales
del proceso. En las espumas rígidas los catalizadores promueven la reacción
isocianato-isocianato (reacción de trimerización), isocianato-poliol e isocianato-
agua (producción de CO2), sin participar en él, permitiendo ajustar la reactividad
de acuerdo a la necesidad requerida.
CH2 NCO NCO CH3
NCO
NCO
MDI TDI
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Los surfactantes juegan un papel crítico en la formación de espumas en
poliuretano ya que actúan como agente de control en la formación de las celdas
(celdas cerradas) de la espuma y a su vez disminuyen la tensión superficial de los
productos que reaccionan. Generalmente los surfactantes ayudan a que la
espuma tenga una baja conductividad térmica, un buen flujo, un densidad
uniforme dentro del molde y como mencionamos anteriormente, un alto contenido
de celdas cerradas, mejorando las propiedades.9
Los fluorocarbonos, dentro de la espuma, actúan como agentes físicos de
expansión ya que utilizan el calor de la reacción exotérmica para evaporarse e
incrementar el volumen de la espuma.10 Su singular naturaleza, especialmente por
sus bajos puntos de ebullición, con relación a sus pesos moleculares, promueven
una conductividad térmica baja en espumas rígidas.
Dentro del grupo de agentes soplantes, encontramos el agua como un agente
químico de expansión El agua reacciona con el isocianato produciendo gas
carbónico, el cuál desempeña la función de agente soplante.
9 SCHIFF, D.E. BBBHATTACHARJEE, D. And NACE, M. 1995. “Isocyanate Compatible Novel Nonsilicone Surfactant for Polyurethane Polyisocyanurate Foams”. Polyurethane, p.150-155. 10 DOW QUÍMICA ARGENTINA, Op cit., p.10.
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Los modificadores de la combustión o retardante a la llama inhiben la ignición de
espuma y retardan la reacción dinámica que ocurre al contacto con el fuego, con
ello aumentan la retardancia a la llama.11
1.4. FORMACIÓN DE ESPUMAS RÍGIDAS
En el procesamiento de espumas rígidas en poliuretano, se da la reacción de dos
componentes: una resina que contiene hidroxilos libres más una cantidad de
aditivos y un disocianato, dando como resultado una estructura polimérica con un
alto grado de entrecruzamiento. Durante este proceso el gas forma parte del
proceso, ya sea generado por vía química o agregado al quedar atrapado en la
espuma durante su crecimiento. La presión de este gas en las celdas es mucho
mayor a la presión atmosférica, lo que ocasiona que la espuma crezca al ir
aumentado el volumen ocupado. La reacción química es exotérmica y la
temperatura resultante en este proceso de polimerización puede alcanzar valores
de hasta 160ºC. A medida que la temperatura desciende, el polímero aumenta su
resistencia estructural.12
11 KEMPNER, Daniel y FRISCH, Kurtc. Handbook of Polimeric Foams and Foam Technology. Munich, Viena, New York, Barcelona: Hanser Plublishers, 1991. p.96. 12 DOW QUÍMICA ARGENTINA, Op cit., p.96.
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1.4.1 Tiempos de reacción. Básicamente existe cinco tiempos de referencia
importantes en la formación de espumas rígidas. Ver figura 3.13 Cuando se
producen estas espumas, los componentes poliol e isocianato, que van a
conformar la espuma, se mezclan lo más homogéneamente posible. Este tiempo
se toma como el tiempo de mezcla (a). Segundos después del mezclado comienza
la formación (expansión) de la espuma, donde se alcanza a observar un cambio
de color y la masa reactiva se vuelve cremosa. Este tiempo recibe el nombre de
tiempo de crema (b). Luego la reacción sigue avanzando y la masa espumante
incrementa su viscosidad hasta un punto de gelificación donde se comienza a
observar los entrecruzamientos estructurales. A este tiempo se le denomina
tiempo de gel o en algunas ocasiones veces se le denomina tiempo de hilo (c).
Este tiempo al igual que todos los demás, son tiempos medidos desde el momento
de mezclado hasta la ocurrencia del respectivo cambio físico-químico.
Consecutivamente viene el tiempo de crecimiento, que es el tiempo al cuál la
espuma mantiene constante la altura de crecimiento de la reacción, sin llegar a
completar aún sus propiedades definitivas (d). Finalmente la espuma incrementa
su rigidez y disminuye su pegajosidad superficial, es decir, al contacto con la piel
la espuma no se adhiere a esta. A este tiempo se le denomina tiempo de tacto
libre (e).
13 OERTEL, Gunter. Op cit., p.251.
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Figura 3. Tiempos de reacción de las espumas rígidas.
1.5 REACCIONES BÁSICAS DEL GRUPO ISOCIANATO
Las reacciones más importantes del grupo isocianato, se presentan en la
formación de ácidos carbámicos, los cuales no son estables y tienden a formar
dióxido de carbono y aminas. Estos son formados cuando el isocianato se
reacciona con alcoholes primarios, alcoholes secundarios y fenoles. Cuando el
isocianato es reaccionado con agua la reacción es la siguiente:
R-N=C=O + H-OH R-NH-C-OH,
O
como el ácido carbámico no es estable, la reacción resultante es:
R-N=C=O + H-OH R-NH2 + CO2.
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Las principales reacciones básicas del grupo isocianato, que son involucradas en
la formación de las espumas rígidas en poliuretano, parten generalmente de la
formación de la úrea, la cuál se forma a través de aminas primarias y secundarias
que reaccionan con el grupo isocianato así:
R-N=C=O + R-NH2 R-NH-C-NHR (Ureas)
O La amina producida por la inestabilidad del ácido carbámico, reacciona
inmediatamente con el isocianato, aún presente en la reacción y se forma la urea
simétrica. Como lo muestra la siguiente reacción.
2R-N=C=O + H2O R-NH-C-NHR + CO2
O El dióxido de carbono que es formado, cumple el papel de agente soplante
durante la formación de la poli-úrea, la cuál dirige la formación del esqueleto
macromolecular.14
1.6 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ESPUMAS RÍGIDAS
Como se había mencionado anteriormente, las propiedades de las espumas
rígidas pueden variar con el cambio de formulación, con el cambio de la razón
estequiométrica usada entre sus componentes y con los cambios de temperatura 14 Ibid., p.13.
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de sus componentes químicos. Las propiedades de estas espumas también
pueden cambiar con las condiciones de la maquinaria y el equipo empleado para
su producción. También pueden variar con el cambio de las condiciones
ambientales, como cambios en la temperatura y la humedad. Todos estos
factores producen un cambio en la reacción química de los componentes,
generando con ello un cambio en los resultados finales de la espuma.
Debido a lo anterior, las propiedades de estas espumas se dividen según su
procesabilidad y las propiedades finales de la espuma. De acuerdo a la
procesabilidad se mide la reactividad (tiempos de reacción) y el tiempo de
desmolde, entre otros. Entre las propiedades finales se mide la densidad,
conductividad térmica, resistencia a la compresión, resistencia a la tensión,
estabilidad dimensional, resistencia química, coeficiente de expansión térmica,
absorción de agua y retardancia a la llama, principalmente.
1.6.1 Resistencia a la compresión. La resistencia a la compresión se mide sobre
muestras de base cuadrada cuyo tamaño depende del método aplicado. La
espuma es comprimida entre dos platos paralelos a velocidad constante, hasta
lograr una distancia comprimida del 10% de la longitud inicial.
Para definir la resistencia que puede soportar una espuma rígida, se toma la
presión soportada por la espuma a una deformación del 10% de la longitud inicial.
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18
En la mayoría de los casos este valor no se obtiene en el punto máximo o de
quiebre de la gráfica, ver figura 4,15 sino que el valor tomado al 10% de
deformación no difiere mucho a este pico y da una mayor confiabilidad en la
práctica.
Figura 4. Resistencia a la compresión medida al 10%.
La resistencia a la compresión presenta altos valores cuando es medida
paralelamente al crecimiento de la espuma, ya que generalmente en esta
dirección la celda se alarga y presenta un comportamiento parecido a las que
posee un huevo cuando se quiere comprimir lo largo, por la dificultad que opone
en su cambio de forma en esta dirección. Lo contrario sucede cuando se quiere
comprimir una espuma normal a su dirección de su crecimiento. En este sentido
presenta una menor oposición, teniendo los valores bajos de esta propiedad.
15 Ibid., p.267.
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19
El parámetro que produce la mayor variabilidad de esta propiedad es sin duda la
densidad, por estar proporcionalmente relacionadas, aproximadamente en forma
lineal. La temperatura es un factor que altera también esta propiedad, ya que
afecta la presión de los gases confinados y por ende de la resistencia estructural
de la espuma. Obsérvese la figura 5.
Figura 5. Efecto de la densidad y la temperatura, en la resistencia a la compresión.16
16 BUIST J.M. y GUDGEON H. Advances in polyurethane technology. New York:John Wiley and sons Inc. Publishers, 1968, p.223.
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20
1.6.2 Conductividad térmica. La conductividad térmica es la habilidad que tiene un
material para transportar calor desde uno de sus lados hacia el otro.
Generalmente las unidades en que esta propiedad se mide es BTU/in/ft2/hr/ºF o
W/(m*K). La temperatura es uno de los factores que afecta esta propiedad. A
mayor temperatura la espuma es mas conductora. Las espumas rígidas
presentan bajas conductividades a densidades entre 30 kg/m3 y 60 kg/m3 ,17 ya
que la diferencia de la respuesta en este rango se hace despreciable. Véase la
figura 6. Además un alto porcentaje de celda cerrada, un tamaño de celda mas
fina y una conductividad baja del agente soplante utilizado, son de vital
importancia para lograr minimizar esta característica.
Figura 6. Factor K vs. densidad.18
También se ha comprobado que la conductividad de las espumas se va
deteriorando a través del tiempo, hasta llegar a un momento en la que ésta se 17 OERTEL, Gunter. Op cit., p.271. 18 Ibid., p.273.
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21
mantiene constante. Además la conductividad es diferente cuando se mide
paralelamente o normal al crecimiento de la espuma, ya que depende de la
orientación y el diámetro de la celda como lo muestra el cuadro 1.19
Cuadro 1. Anisotropía del valor K.
Espuma No. Valor K paralelo al
crecimiento.
Valor K normal al
crecimiento.
Diámetro de la celda paralelo al crecimiento
(mm)
Diámetro de la celda normal
al crecimiento (mm)
1 0.123 0.112 0.9 0.6
2 0.132 0.120 1.3 1
3 0.126 0.108 0.8 0.6
Los valores de las conductividades están en BTU/in/ft2/hr/ºF.
19 BUIST J.M. y Gudgeon H. Op cit., p.21 2.
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22
2. FORMULACÓN
Para comenzar a realizar las formulaciones de este proyecto, se definió
previamente los factores de interés con sus respectivos niveles, como se podrá
observar en el capítulo 4 de este trabajo. En total se desarrolló 16 formulaciones
diferentes y se tuvo presente los siguientes parámetros basados en la experiencia
de experimentos realizados anteriormente:
• El índice es el mismo para cada una de las formulaciones.
• El número de moles de gas producido por kilogramo de polímero es
siempre el mismo e igual a 1.5.
• El peso equivalente promedio de poliol mas agua se mantuvo constante.
• Las partes de los dos polioles poliéter usados en las formulaciones,
debe ser lo mas parecido posible para poder tener un efecto equitativo
de cada una de las propiedades que estos ofrecen.
• Los catalizadores, aditivos y surfactantes son manejados en el mismo
número de partes en todas las formulaciones.
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23
Teniendo en cuenta los parámetros anteriores, se procedió a realizar las
formulaciones en una hoja de cálculo. Por la necesidad de tener una muy buena
precisión de las partes necesarias de los químicos involucrados en cada
formulación y por la dificultad de hacerlo manualmente rápido, se utilizó la
herramienta de Solver, incluida en el programa de Excel, para realizar cada una de
las formulaciones. La estructura general de las formulaciones se puede observar
en el cuadro 2.
Cuadro 2. Estructura general de las formulaciones.
Componente A.
Poliol 1 (Poliéter) Catalizador 1
Poliol 2 (Poliéter) Catalizador 2
Poliol 3 (Poliéster) Catalizador 3
Aditivo Agua
Surfactante Agente soplante
Componente B
Isocianato
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24
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Como se ha mencionado anteriormente, se busca la posibilidad de incorporar,
algún tipo de poliol poliéster que pueda mejorar las propiedades de conductividad
térmica o resistencia a la compresión, para las espumas rígidas en poliuretano. El
interés de probar esta clase de poliol, que en general es más baratos que los
polioles poliéter, puede representar una ventaja, por lo menos económica, en la
producción de poliuretano rígido.
Con el fin de comprobar, si esta posibilidad puede ser real, la empresa Expumlatex
Ltda., interesada en mejorar la calidad de sus productos y conocer el
comportamiento de nuevas alternativas en productos químicos para la fabricación
de espumas en poliuretano, decide trabajar en conjunto con la Universidad de los
Andes para llevar a cabo proyectos con este tipo de objetivo, aprovechando la
experiencia ya adquirida por ellos y las instalaciones y el personal capacitado con
el que cuenta la universidad.
IM-2003-II-40
25
Igualmente, trabajos como el presentado en este proyecto, es la oportunidad para
que estudiantes puedan participar en forma directa, en un campo que es y seguirá
siendo observado, por la necesidad de alternativas tecnológicas, en la fabricación
de un producto que presenta los mejores niveles de respuesta en sus
propiedades, pero a la vez afecta el desarrollo sostenible del mundo, por su
efecto en el medio ambiente.
3.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS VARIABLES DE RESPUESTA
Las variables de respuesta son escogidas de acuerdo a las propiedades más
relevantes que se desean tener en este tipo de espumas, teniendo en cuenta la
disponibilidad de tiempo, recursos y la metodología analítica para poder concluir.
Adicionalmente de debe tener presente que una variable de respuesta debe ser
medible (cuantificable), precisa y significativas para el tema de estudio, por lo
tanto las variables de respuesta escogidas deben ser teórica o experimentalmente
influyentes en la conductividad térmica y la resistencia a la compresión en las
espumas rígidas en poliuretano.
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26
3.3 SELECCIÓN DE LOS FACTORES Y SUS NIVELES
Los factores y sus respectivos niveles fueron escogidos en común acuerdo con la
empresa Expumlatex y el asesor del proyecto, teniendo en cuenta el tiempo
disponible para finalizar el proyecto y las variables que podrían repercutir de una
forma más significativa.
Se escogieron tres factores, dos a dos niveles y el tercero a cuatro para obtener
un diseño experimental de 16 tratamientos diferentes, como se observa en el
cuadro 3.
Cuadro 3. Diseño experimental.
FACTORES NIVELES
Tipo de poliol Nivel 1. (Poliol poliéster 1)
Nivel 2. (Poliol poliéster 2)
Porcentaje de poliol Nivel 1. 10%
Nivel 2. 20%
Nivel 3. 30%
Nivel 4. 40%
Proporción de gases producidos Nivel 1. 35%CO2-65%CFC
Nivel 2. 45%CO2-55%HCFC
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27
3.3.1 Factor tipo de poliol. Se escogió dos tipos de poliol poliéster diferentes, que
son atractivos en el mercado y que se piensa pueden ser un buen producto a
probar. Uno de estos polioles ya se ha probado en proyectos anteriores, dando
muy buenos resultados, principalmente en la conductividad térmica. El otro es un
nuevo poliol que quiere probar la empresa Expumlatex.
3.3.2 Factor porcentaje de poliol. Como se observa en el cuadro del diseño
experimental, se tomaron cuatro niveles para el porcentaje de cada uno de los
polioles a probar. Estos cuatro niveles pretenden abarcar el rango donde un poliol
afecta considerablemente las propiedades, ya que según experimentos ya
realizados, un porcentaje de poliol mayor al 40%, no tiene en la mayoría de
casos, un efecto tan significativo comparado a un 40%.
4.3.3 Factor proporción de gases producidos. Este factor es de interés, ya que
como se había mencionado antes, la conductividad térmica de este espumas,
dentro del proceso de transferencia de calor, depende en un gran porcentaje, del
gas confinado dentro de las celdas. Al tener dos gases diferentes producidos,
según la reacción química de los componentes, se cree que este factor pueda
afectar principalmente el factor K. Ver cuadro 4.
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28
Cuadro 4. Conductividad térmica de algunos gases.
TIPO DE GAS CONDUCTIVIDAD TÉRMICA BTU/IN/FT2/HR/ºF
Aire 0.168/0ºC20
CO2 0.102/0ºC20
HCFC 141b 0.08/10ºC21
3.4 ELECCION DEL DISEÑO EXPERIMENTAL
Se entiendo por diseño experimental, a aquel en el que se investiga el efecto de
cada uno de los factores y todas las posibles combinaciones de éstos. El efecto de
un factor se define como el cambio de la respuesta producida al variar el nivel de
éste. Con frecuencia este efecto se conoce como efecto principal, porque se
refiere a los factores de interés primordial del experimento.
Teniendo en cuenta que cada uno de los factores no tienen el mismo número de
niveles, ya que hay uno que tiene cuatro, como lo es el porcentaje de poliol, se va
a analizar lo datos por medo de un diseño factorial completo.
20 BUIST J.M. y GUDGEON H., Op cit., p.211. 21 OERTEL, Gunter. Op cit., p.271.
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29
3.5 NÚMERO DE OBSERVACIONES A TOMAR
Como nuestro diseño experimental tiene dos factores a dos niveles y un tercero a
cuatro niveles, el número de tratamientos va a ser de 16. Para producir un mayor
grado de certeza en la medición de propiedades y por la disponibilidad limitada de
tiempo para la terminación de este proyecto, se decidió tener una réplica para
cada uno de los tratamientos, es decir el número de corridas que se va a realizar
es en total 32.
3.6 OBTENCIÓN DE LAS PRUEBAS ESTADÍSTICAS Y VALIDACIÓN DE
SUPUESTOS
Todo el análisis estadístico se llevo a cabo por medio del paquete estadístico de
Minitab versión 13. Allí se analizaron los datos por medio de un diseño
experimental completo. Para complementar el análisis se realizó tablas de anova,
superficies de respuesta, diagramas de relación entre factores, principalmente.
Para realizar la validación de supuestos que implica teóricamente este modelo, se
aplicó la prueba Kolgomorov-Smirnof para comprobar la normalidad de los datos, y
se obtuvo histogramas de residuos, para comprobar si el error presentaba una
distribución normal con media cero y varianza s2.
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30
4. PROTOCOLO DE TRABAJO
Como se había comentado anteriormente, este proyecto tiene como fin mirar el
efecto del poliol-poliéster en formulaciones de espuma rígida en poliuretano. La
formulación base es definida por la empresa Expumlatex Ltda. y se espera que
alguno de los dos polioles poliéster que van a ser probados, puedan lograr un
efecto igual o mejor al que producen algunos polioles poliéter ya ensayados por
esta empresa.
Toda la parte experimental y de producción de espumas se desarrolló en los
laboratorios de polímeros del CITEC de la Universidad de los Andes, ubicados en
la zona industrial de Bogotá.
Basados en proyectos realizados anteriormente y teniendo una idea ya clara del
equipo empleado para producir y medir las propiedades de interés ya
mencionadas, se estableció las medidas de desempeño y una breve descripción
de los equipos utilizados.
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31
4.1 HERRAMIENTAS Y EQUIPOS
• Molde:
fabricado en aluminio completamente, consta de tres partes principales que son la
base, el cuerpo y la tapa. Adicionalmente tiene cuatro tuercas mariposa que sirven
para cerrarlo con cada uno de los tornillos fijos que tiene en las esquinas. El
volumen del molde es de 300 mm X 301 mm X 76 mm. Ver figura 7.
• Agitador vertical:
Fabricado con la marca Master Servodine tiene un rango de operación de 0-300
RPM y 0-3000 RPM.
Figura 7. Molde de aluminio para producir poliuretano.
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32
• Hornos:
Horno de moldeo 150-400 ºF fabricado en 1986 con la referencia No. 7594.
Horno termo AB con control de temperatura de 20-400ºC.
• Refrigerador:
Flexímetro Roos. ASTM 1052. Rango –50ºC a 50ºC.
• Balanzas:
Balanza analítica Sartotius. Modelo 3802MP Capacidad máxima de 8000 gr.
Balanza analítica Sartotius. Modelo E5500S Capacidad máxima de 5500 gr.
• Equipo para medir la conductividad térmica:
Termal conductivity Analyser. ANACON TCA8-88. Ver figura 8.
Figura 8. ANACON TCA8-88
.
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33
• Equipo para medir la resistencia a la compresión:
Equipo de ensayos universales Sintech 2w/2000. Computerized System for
material testing.
• Cortadora vertical de espuma rígida.
Cortadora vertical de sierra sin fin. Producida por Espumas Plásticas S.A.
Medellín, Colombia.
• Termocupla:
Fluke 51KJ con un rango de temperatura de –200ºC a 760ºC.
• Cronómetro:
Cronómetro marca CASIO.
4.2 MEDIDAS DE DESEMPEÑO
Las medidas de desempeño mostradas a continuación son establecidas para
facilitar el trabajo en la producción de espumas rígidas en poliuretano y obtener las
propiedades dentro de los parámetros de respuesta deseados, teniendo en cuenta
los equipos que se tienen a disposición. Estos son entonces las medidas de
desempeño estipuladas:
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34
• Cantidad de peso en mezcla de los componentes A y B: mínimo 300 gr.
• Tiempo de agitación de la mezcla: 8 segundos.
• Densidad general de la espuma: 0.038 ± 0.5 gr./cm3.
• Temperatura del molde antes de verter la mezcla: 40ºC ± 1ºC.
• Tiempo mínimo de desmolde: 10 minutos.
4.3 PROCEDIMIENTO GENERAL
4.3.1 Desarrollo experimental. Una vez definida la formulación a producir, se
determina preliminarmente la reactividad de ésta, es decir cada uno de los tiempos
mostrados en la figura 3 y cuyos resultados se encuentran en el Anexo 1. Por
medio del tiempo de crema se puede estimar el tiempo adecuado que se puede
estipular para homogenizar la mezcla en el agitador y tener el tiempo suficiente
para verter ésta en el molde antes de comenzar reaccionarse.
Para realizar una corrida se establece la temperatura nominal del molde con el
objetivo de estabiliza la reactividad y la viscosidad de la espuma, para disminuir
problemas estructurales y de adherencia de la espuma con el metal. Para lograr
esta temperatura mencionada se calienta el molde de aluminio, previamente en el
horno, a una temperatura mayor de 300ºC. Una vez se tiene el las tres partes del
molde a una temperatura global de aproximadamente 45ºC, se dispone a
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35
estabilizar la temperatura de este, por fuera del horno a una temperatura de 40ºC
± 1ºC. El tiempo necesario para calentar el molde es de aproximadamente 7
minutos y es necesario estar controlando la temperatura del molde para no perder
tanto tiempo sobre enfriándolo, al pasarse de la temperatura de 45ºC.
El punto de referencia para medir el molde es el centro interno de la base, ya que
este es un buen punto de referencia para estimar la temperatura promedio de las
tres partes que lo conforman. Ver figura 9. Después de tener la temperatura del
molde en el valor deseado, éste debe ser engrasado con cera desmoldante para
evitar que la espuma se adhiera demasiado a las superficies internas.
Figura 9. Punto de referencia para medir la temperatura promedio del molde.
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36
Una vez se tiene la formulación preparada del componente A y B para cada
formulación, se pesa la cantidad correspondiente de cada uno, completando un
mínimo de 300 gramos para mezclarlo en el agitador a una velocidad de 3000 rpm
y poder lograr posteriormente una densidad alrededor de 38 kg/m3. La densidad
general de la espuma se calcula en este valor, porque con pruebas realizadas
anteriormente se ha comprobado que la densidad de centro tiende a ajustarse en
un valor de 38 kg/m3.
El molde está ubicado a un metro del lugar de agitación, sobre una superficie
plana y estable, a un metro de altura. Antes de verter la mezcla al molde, éste se
orienta de la misma forma para cada una de las corridas, teniendo en cuenta que
este debe ubicarse de acuerdo a una marcas que tiene tanto en la base, como en
el cuerpo y la tapa.
Mientras una persona se encarga de agitar la mezcla, otra debe tener preparado el
molde con sus respectivas tuercas mariposa, para tapar todas las partes del molde
lo más rápido posible. La mezcla se agita en un recipiente plástica de fácil aseo y
se saca al molde por medio de una espátula de madera desechable.
El tiempo de desmolde de la espuma se estableció en 10 minutos, ya que al medir
la reactividad de la espuma, se observó que este tiempo es suficiente para tener
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37
un buen curado y permita desmoldarla a tiempo ya que con un enfriamiento más
prolongado la espuma tiende a adherirse más al molde.
Al cumplirse el tiempo de desmolde, se prosigue a levantar la tapa y quitar la
rebaba que sale del molde, tanto por los respiraderos como de los bordes del
cuerpo con la base y la tapa. Al sacar la probeta del molde se le realiza un
emparejamiento final, para adaptarla al volumen del molde y pesarla en la balanza
analítica que tiene una precisión de ±0.1 gr. Finalmente se mide la densidad de la
probeta dividiendo su masa en kilogramos por el volumen del molde en metros.
(0.301mX0.3mX0.076m).
Al cumplir la probeta con las medidas de desempeño establecidas, se procede a
cortarla por medio de la cortadora vertical mostrada anteriormente. Se debe sacar
una probeta para medir la conductividad térmica con dimensiones aproximadas de
8 pulgadas X 8 pulgadas X 1 pulgada. Esta probeta también se utiliza para
aproximar la densidad de centro. Ver figura 10.
Adicionalmente se corta 12 probetas para medir la resistencia a al compresión con
dimensiones de 2 pulgadas X 2 pulgadas X 1 pulgada, de cada uno de las cuatro
zonas en las que se divide el molde, de acuerdo a la orientación de la figura 11 y
figura 12. Cuatro probetas son orientadas en X, cuatro en Y y las otras cuatro en la
orientación Z. Tanto la probeta de factor K como las probetas de resistencia a la
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38
compresión, son cortadas según normas ASTM establecidas en la sección de
pruebas físicas.
Figura 10. Ubicación de la probeta para medir la conductividad térmica.
*Dibujos en perspectiva con proporciones a escala.
Figura 11. Partes en las que se divide el molde y sus respectivas probetas para medir propiedades.
Las probetas de compresión son sacadas de diferentes partes del molde para
abarcar todas las características que éste pueda tener.
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39
4.3.2 Pruebas físicas. Según las propiedades buscadas para este proyecto las
pruebas requeridas son:
• Conductividad térmica, basada en la norma ASTM C-177-76.
• Resistencia a la compresión, basada en la norma ASTM D-1621-73.
• Densidad, según norma ASTM D-1622-63.
4.3.3 Método de ajuste de datos para el análisis de la resistencia a la compresión.
La variable de resistencia a la compresión fue la única variable que hubo
necesidad de estandarizar con respecto a al densidad, ya que según la teoría y
estudios realizados por varios autores, hay una variación calculable, que es mejor
tenerla en cuenta.
Figura 12. Orientación dentro del molde de las probetas para medir la resistencia a la compresión.
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40
En tesis anteriores como “Optimización de una formulación en poliisocianurato”22
se empleó un método de estandarización de los datos, aplicando teoría de
interpolación y polinomios de Lagrange,23 para aproximar gráficas de resistencia a
compresión, según la densidad. En este proyecto se pudo contar, esta vez, con
una fórmula empleada por DOW Química, para estandarizar compresiones a una
densidad de 32kg/m3 y con unidades de compresión en psi.
También se encontró una nueva relación de resistencia a la compresión, respecto
a la densidad de la espuma, en el libro de el libro de BUIST J. M. y GUDGEON H.
24 Se encontró, con una formulación de prueba, que la resistencia a la compresión
es igual a 8.9*Densidad1.61 en sentido paralelo al crecimiento de la espuma y que
era igual a 6*Densidad1.76 en sentido normal al crecimiento de la espuma como lo
muestra la figura 13.
Según los valores arrojados por medio del primer método de interpolación de
Lagrange y aplicándolo de igual forma para las relaciones encontradas en la figura
13, para obtener las respectivas curvas de nivel de cada uno de los tres métodos,
las curvas de resistencia a la compresión en sentido paralelo y normal al
crecimiento de la espuma, se observan en la figura 14.
22 CARDENAS Jairo y VALDERRAMA Mauricio, Op cit., anexo 16. 23 Para mas información sobre interpolación de Lagrange, pueden consultar BURDEN, Richard y DOUGLAS, Faires Análisis Numérico. Internacional Thomson Editores, sexta edición, p. 107-119. 24 BUIST J.M. y GUDGEON H., Op cit., p.218-219.
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41
Figura 13. Resistencia a la compresión vs. Densidad por BUIST J. M. y GUDGEON H.
Figura 14. Funciones de resistencia a la compresión medida en sentido paralelo y normal al crecimiento de la espuma, para tres métodos diferentes.
0102030405060708090
100110120130140150160170180
20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 89 92 95 98
Densidad (Kg/m3)
Res
iste
ncia
a la
com
pres
ión
(PSI
)
LagrangeParalelo
LagrangeNormal
DowParalelo
DowNormal
GudgeonParalelo
GudgeonNormal
Punto deprueba
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42
Lo importante para estos tres métodos, no es que método arroje unos valores más
altos o más bajos de compresión a una misma densidad, sino el comportamiento o
la relación conjunta entre la función de compresión medida en crecimiento paralelo
con la compresión medida en crecimiento normal, para obtener las curvas de nivel
en cada caso y que permitan estandarizar los datos. Por lo tanto las curvas de
nivel se obtuvieron según la relación manejada por el método de estandarización
en el trabajo de Jairo Cárdenas y Mauricio Valderrama25. Además, se realizó una
prueba con un punto que presenta una resistencia a la compresión de 23.5 psi., a
una densidad de 32kg/m3. Este punto fue escogido, ya que como se observa en la
figura 14, éste se encuentra en el centro de todas las curvas y es un valor
corrientemente encontrado a la densidad propuesta. Hay que recordar que el
método presentado en la figura 13 se ajusto a unidades de psi, ya que las
unidades con las que éste fue propuesto estaban en lb/ft3. El resultado se observa
en la figura 15.
Se observa que los tres métodos no presentan alguna diferencia relevante en
compresiones con densidades de 28kg/m3 a 40kg/m3, pero fuera de este rango el
método de Dow, muestra tener en general menores valores de estandarización,
que cualquiera de los otros dos métodos. Hay que hacer notar que el método
obtenido por interpolación de Lagrange, es un método que se basó en gráficas
25 CARDENAS Jairo y VALDERRAMA Mauricio, Op cit., anexo 16.
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43
producidas por Dow Química y con el cuál se esperaba que tuviera unos
resultados más aproximados, a los arrojados por el método de Dow.
En este proyecto, después de los análisis realizados anteriormente, se decidió
aplicar la fórmula proporcionada por Dow, ya que es una fórmula que es empleada
actualmente y que en general no es tan sensible a altas y bajas densidades, como
los otros métodos estudiados.
Figura 15. Prueba de estandarización con tres métodos diferentes de estandarización para la resistencia a la compresión.
0102030405060708090
100110120130140150160170
20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 89 92 95 98
Densidad (Kg/m3)
Res
iste
ncia
a la
com
pres
ión
(PSI
)
Lagrange
Dow
Gudgeon
Punto deprueba
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44
5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
5.1 MODELO MATEMÁTICO
Por las características del diseño experimental planteado anteriormente, los datos
se analizaran por medio de un diseño factorial completo en el cuál se evaluará el
efecto de cada factor y las interacciones de estos.
Ai = Poliol utilizado; i=1,2.
Bj = Porcentaje de poliol-poliester; j=1,2,3,4.
Ck = Proporción en moles de gas; k=1,2.
U = Efecto común entre todas las observaciones.
Eijk = Error asociado.
Xijk = U + Ai + Bj + Ck + AiBj + AiCk + BjCk + AiBjCk +Eijk
Teniendo en cuenta el modelo anterior, se evaluaran las siguientes hipótesis:
nulas (Ho), con sus respectivas hipótesis alternas (Ha):
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45
• No hay efecto, según el tipo de poliol usado:
Ho: A1 = A2 = 0
Ha: A1 o A2 ≠ 0
• No hay efecto, según el porcentaje de poliol usado:
Ho: B1 = B2 = B3 = B4 = 0
Ha: B1 o B2 o B3 o B4 ≠ 0
• Igualdad de efecto
Ho: C1 = C2 = 0
Ha: C1 o C2 ≠ 0
• No hay interacción entre niveles del factor tipo de poliol y el factor
porcentaje de poliol:
Ho: AiBj = 0 para todo i,j.
Ha: Por lo menos un Ai Bj ≠ 0
• No hay interacción entre niveles del factor tipo de poliol y el factor
proporción de gases:
Ho: AiCk = 0 para todo i,k.
Ha: Por lo menos un Ai Ck ≠ 0
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46
• No hay interacción entre niveles del factor porcentaje de poliol y el
factor proporción de gases:
Ho: BjCk = 0 para todo j,k.
Ha: Por lo menos un Bj Ck ≠ 0
• No hay interacción entre niveles del factor tipo de poliol, proporción de
gases:y porcentaje de poliol.
Ho: AiBjCk = 0 para todo i,j,k.
Ha: Por lo menos un Ai BjCk ≠ 0
5.2 ANÁLISIS DE LOS DATOS PARA LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
La metodología utilizada par analizar los datos de resistencia a la compresión, fue
la siguiente:
• Se midió la resistencia a la compresión en cada una de las tres
orientaciones posibles.
• Se estandarizaron los datos por medio de la fórmula utilizada por la
empresa Dow Química.
• Se tomó un promedio de los tres mayores valores encontrados en cada
formulación, como un estimativo de la resistencia a la compresión
medida paralelamente al crecimiento de la espuma y se tomó el
promedio de los tres menores valores como un estimativo de la
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47
resistencia a la compresión, medida normalmente al crecimiento de la
espuma.
• Se realizó el análisis de los promedios, con cada una de sus réplicas
respectivas, en el paquete estadístico de Minitab.
• Se tomaron los respectivos niveles de confianza para los factores y sus
interacciones, para poder concluir.
5.2.1 Análisis de la resistencia a la compresión, estimada en sentido normal al
crecimiento de la espuma. Para realizar el análisis en esta sección, se tomaron los
tres menores valores estandarizados, de los doce tomados en las tres
orientaciones, de cada muestra o réplica. Ver cuadro 5.
Cuadro 5. Matriz de resultados para la resistencia a la compresión estimada en sentido normal al crecimiento.
Proporción de gases. (CO2-HCFC)
35%-65% 45%-55%
Muestra Muestra
M1 M2 M1 M2
10% 14,3047647 18,1489386 20,7240879 19,1606244
20% 16,0156387 18,8051498 18,1801302 16,935395
30% 17,7286151 18,5305988 17,8591278 19,1508445 POLIOL 1
40% 18,603984 19,3112579 22,009662 24,415936
10% 17,1634093 17,5723612 21,0002134 20,7832837 20% 16,492357 17,6911031 20,6143804 21,8827617
30% 22,2569067 15,4002642 19,01007 17,2658445
Fact
or P
olio
l
POLIOL 2 Con
cent
raci
ón
40% 18,4807949 18,4117395 19,8480169 21,2033668
IM-2003-II-40
48
Se realiza el estudio del promedio más bajo entre los tratamientos , porque en
términos comerciales y de propiedades, este valor sería el valor mínimo que
ofrecería un producto , en términos de desempeño en resistencia a la compresión,
ya que es una estimación de la resistencia a la compresión en sentido normal al
crecimiento, que es la más baja que se pueda esperar en una espuma rígida.
5.2.1.1 Validación de supuestos. Como se observa en la figura 16, la prueba de
normalidad Kolmogorov-Smirnof es aceptada al tener un p-value mayor a 0.15, es
decir que si se quiere rechazar la hipótesis nula al no creer que los datos siguen
una distribución de probabilidad normal, se va a cometer un error α mayor al 15%.
Figura 16. Prueba Kolmogorov-Smirnov para resistencia a la compresión, estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma.
Approximate P-Value > 0.15D+: 0,111 D-: 0,057 D : 0,111
Kolmogorov-Smirnov Normality Test
N: 32StDev: 2,15533Average: 18,8937
241914
,999,99,95,80,50,20,05,01
,001
Prob
abili
ty
Normail al crecimiento
Normal Probability Plot
IM-2003-II-40
49
El histograma de residuos, de la figura 17, muestra que los datos están centrados
en cero con gran simetría, dando una mejor idea de que los datos puedan seguir
el comportamiento de una distribución normal con media cero.
Figura 17. Diagrama de residuos para resistencia a la compresión, estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma.
5.2.1.2 Análisis de los factores y sus interacciones. Utilizando el cuadro 6, la
confiabilidad encontrada para cada uno de los factores y sus interacciones es
calculada tomando 1 menos el p-value y multiplicada por 100%. Es decir esta
confiabilidad muestra, cuanta certeza se puede tener para decir que factor o
interacciones de factores producen cambios significativos en la variable de
respuesta analizada. Tomando el caso del factor tipo de poliol para analizar la
compresión medida en sentido normal al crecimiento, este presenta una
confiabilidad de (1-0.592)*100% = 40.8%, es decir , no hay suficiente evidencia
-3 -2 -1 0 1 2 30
5
10
Residual
Freq
uenc
y
Histogram of the Residuals(response is Normal)
IM-2003-II-40
50
estadística para decir que el factor tipo de poliol, produce algún tipo de variación
importante en alguno de los tratamientos establecidos. Por otro lado, el factor
porcentaje de poliol y proporción de gases, presentan una confiabilidad de 89.8%
y 99.8%, respectivamente. Estos dos factores presentan una certeza bastante
significativa y en especial, el factor proporción de gases que tiene un p-value
bastante cercano a cero.
Cuadro 6. Tabla de anova para la resistencia a la compresión estimada en sentido normal al crecimiento de la espuma.
RECURSO G.L. S.C. C.M. Fprueba P-value Tipo de Poliol 1 0,842 0,842 0,3 0,592 Porcentaje de Poliol 3 20,667 6,889 2,44 0,102 Proporción de Gases 1 38,557 38,557 13,66 0,002 T. Poliol*Porc.Pol. 3 12,198 4,066 1,44 0,268 T. Polio*Prop.Gases 1 0,041 0,041 0,01 0,905 Porc. Pol.*Prop. Gases 3 17,024 5,675 2,01 0,153 T. Polio*Porc.Pol.*Prop.Gases 3 10,95 3,65 1,29 0,311 Error 16 45,156 2,822 Total 31 145,436
Se observa en la figura 18 que el tipo de poliol no produjo una diferencia
significativa en el promedio de la compresión, como si lo produjo, cada uno de los
otros dos factores, variando sus niveles.
Para analizar los datos más gráficamente, para la interacción entre factores. se
puede observar la figura 19, en donde se puede corroborar la información
proporcionada por el cuadro 6. La única interacción que tiene una confiabilidad
mayor del 80%, es la interacción del factor porcentaje de poliol con proporción de
IM-2003-II-40
51
gases, explícitamente en el nivel de 30% con el segundo nivel de proporción de
gases, donde el promedio de la resistencia a la compresión, se mantuvo casi
estable. Ver figura 20. Esta diferencia es notoria ya que el segundo nivel del factor
proporción de gases, tiende a subir la resistencia a la compresión cuando
interactúa con otro factor, menos en el caso anteriormente resaltado.
Figura 18. Efecto de cada uno de los factores en la resistencia a la compresión medida en sentido normal.
Adicionalmente hay que comentar que la interacción tipo de poliol con cada uno de
los otros factores no presentó una variabilidad importante, ya que los polioles, iban
en general, variando la compresión en el mismo sentido, a medida que se variaba
los niveles de los otros dos factores.
Prop. GasesPorc. PoliolT. Poliol
2140302010
POLIOL 2
POLIOL 1
20,0
19,5
19,0
18,5
18,0
Com
pres
ión
(PSI
)
Main Effects Plot - LS Means for Compresión normal
IM-2003-II-40
52
Figura 19. Efecto de las interacciones de los factores en la resistencia a la compresión medida normal al crecimiento.
Figura 20. Superficie de respuesta para la interacción del porcentaje de poliol y el factor proporción de gases.
2140%
30%
20%
10%
22
20
18
22
20
18
T. Poliol
Porc. Poliol
Prop. Gases
40%30%20%10%
POLIOL 2
POLIOL 1
Interaction Plot - LS Means for Compresión Normal
Compresión(PSI)
2,010
15Prop. Gases
20
20
25
30 1,040
Compresión(PSI)
Superficie de respuesta para Compresión Normal.
Porcentaje de poliol
IM-2003-II-40
53
5.2.2 Análisis de la resistencia a la compresión, estimada en sentido paralelo al
crecimiento de la espuma. Los valores tomados para realizar el análisis en esta
sección, se obtuvieron sacando el promedio de los tres mayores valores
estandarizados, de la resistencia a la compresión medida en las tres
orientaciones, para cada muestra como se observa en el cuadro 7. Este valor es
importante para saber a que valor promedio de compresión, la espuma
definitivamente no responde con la presión ejercida.
Cuadro 7. Matriz de resultados para la resistencia a la compresión estimada en sentido paralelo al crecimiento.
Proporción de gases. (CO2-HCFC)
35%-65% 45%-55% Muestra Muestra M1 M2 M1 M2
10% 20,6968047 24,4896442 27,4671544 26,7384146 20% 24,2289142 26,0011018 25,4379571 26,6719057 30% 25,6659644 24,8757073 28,500457 25,774089
POLIOL 1
40% 28,5489322 25,1596846 28,0179683 30,8840758 10% 21,764573 22,6772638 25,5732641 24,3918515 20% 21,838823 23,0236534 23,5779497 24,5445468 30% 28,6410066 22,6134749 23,1953821 23,3108945
Fact
or P
olio
l
POLIOL 2 Con
cent
raci
ón
40% 28,0669373 24,8949303 25,8170372 28,1308515
5.2.2.1 Validación de supuestos. Al igual que en la sección 5.2.1, la prueba
Kolmogorov-Smirnof de que los datos siguen una distribución es aceptada al tener
un P-value mayor a 0.15. Ver la figura 21.
IM-2003-II-40
54
Figura 21. Prueba Kolmogorov-Smirnov para resistencia a la compresión, estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma.
El histograma de residuos, mostrado en la figura 22, muestra una aceptable
aproximación a la distribución normal, por su promedio centrado en cero y una
buena simetría.
Figura 22. Diagrama de residuos para resistencia a la compresión, estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma.
-3 -2 -1 0 1 2 301234567
Residual
Freq
uenc
y
Histogram of the Residuals(response is Paralelo)
Average: 25,3507StDev: 2,38163N: 32
Kolmogorov-Smirnov Normality TestD+: 0,080 D-: 0,087D : 0,087
ApproximateP-Value > 0.15
21 26 31
,001,01,05,20,50,80,95,99
,999
Prob
abili
ty
Paralelo al crecimiento
Normal Probability Plot
IM-2003-II-40
55
5.2.2.2 Análisis de los factores y sus interacciones. Como se observa en el cuadro
8, todos los factores fueron influyentes en la variación de la resistencia a la
compresión, con confiabilidades mayores al 97% para los tres casos.
Cuadro 8. Tabla de anova para la resistencia a la compresión estimada en sentido paralelo al crecimiento de la espuma.
RECURSO G.L. S.C. C.M. Fprueba P-value Tipo de Poliol 1 22,944 22,944 7,08 0,017 Porcentaje de Poliol 3 52,065 17,355 5,36 0,01 Proporción de Gases 1 19,292 19,292 5,96 0,027 T. Poliol*Porc.Pol. 3 1,387 0,462 0,14 0,933 T. Polio*Prop.Gases 1 6,849 6,849 2,11 0,165 Porc. Pol.*Prop. Gases 3 15,348 5,116 1,58 0,233 T. Polio*Porc.Pol.*Prop.Gases 3 6,121 2,04 0,63 0,606 Error 16 51,833 3,24 Total 31 175,837
Para este caso de análisis, a diferencia del caso analizado en sentido normal, el
promedio del primer poliol poliéster fue mejor que el del segundo con una
confiabilidad estadística del 98.3%. En el caso del factor porcentaje de poliol, se
ve una tendencia más clara en los resultados al observarse una relación
proporcional, ya que un aumento del porcentaje de poliol, produce un incremento
en la variable de respuesta para todos sus niveles. Ver figura 23.
Al igual que en el caso normal, en el sentido paralelo el factor proporción de gases
continua siendo bastante influyente en la variación de los resultados, siendo de
nuevo el nivel 2 de este factor, el que obtiene los mayores valores de compresión.
IM-2003-II-40
56
Figura 23. Efecto de cada uno de los factores en la resistencia a la compresión medida en sentido paralelo.
La interacción del tipo de poliol con proporción de gases, fue la más significativa
para este caso, 83.5% de confiabilidad, al contrario de el caso anterior en sentido
normal, en la que fue la menos influyente. Si se observa la figura 24, se puede
determinar que la influencia de esta interacción, es debido al incremento
significativo, en el promedio de compresión, que tiene el tipo de poliol 2, con el
nivel 2 de proporción de gases.
T. Poliol Porc. Poliol Prop. Gases
POLIOL 1
POLIOL 2 10
%20
%30
%40
% 1 224,4
25,2
26,0
26,8
27,6
Com
pres
ión
(PS
I)
Main Effects Plot - LS Means for Compresión en paralelo.
IM-2003-II-40
57
Figura 24. Efecto de las interacciones de los factores en la resistencia a la compresión, medida paralela al crecimiento.
5.3 ANÁLISIS DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
La conductividad térmica es posiblemente la propiedad que más se desea mejorar
en las espumas rígidas de poliuretano, ya que su principal aplicación es como
aislante térmicos en la industria de la refrigeración. Como se mencionó
anteriormente uno de los principales factores que hacen tener bajos valores de
esta propiedad, es sin duda la conductividad del gas presente dentro de las
celdas, aunque la orientación y tamaño de las celdas, afectan en alguna
proporción esta variable.
10%
20% 30% 40%
1 2
24
2628
2426
28T. Poliol
Porc.Poliol
Prop.Gases
POLIOL 1
POLIOL 2
10%20%30%40%
Interaction Plot - LS Means for Compresión Paralela
Compresión(PSI)
IM-2003-II-40
58
La matriz de resultados, con cada una de las réplicas se observa en el cuadro 9.
Cuadro 9. Matriz de resultados para la conductividad térmica.
Proporción de gases. (CO2-HCFC) 35%-65% 45%-55% Muestra Muestra M1 M2 M1 M2
10% 0,163 0,15 0,151 0,149 20% 0,155 0,155 0,143 0,149 30% 0,141 0,148 0,152 0,148
POLIOL 1
40% 0,148 0,149 0,155 0,162 10% 0,154 0,152 0,153 0,158 20% 0,142 0,149 0,15 0,151 30% 0,156 0,148 0,157 0,158
Fact
or P
olio
l
POLIOL 2 Con
cent
raci
ón
40% 0,158 0,146 0,159 0,161
5.3.1 Validación de supuestos. Aunque el histograma de residuos, figura 26, no
muestra una clara simetría normal y tampoco es precisa para mostrar si los datos
están centrados en cero, la prueba de Kolmogorov-Smirnov, figura 25, continúa
siendo contundente con un P-value mayor a 0.15, mostrando un comportamiento
de normalidad de los datos.
Figura 25. Prueba Kolmogorov-Smirnov, para la conductividad térmica
Approximate P-Value > 0.15D+: 0,073 D-: 0,056 D : 0,073
Kolmogorov-Smirnov Normality Test
N: 32StDev: 0,0056193Average: 0,152187
0,160,150,14
,999,99,95,80,50,20,05,01
,001
Pro
babi
lity Factor K
Normal Probability Plot
IM-2003-II-40
59
Figura 26. Diagrama de residuos para la conductividad térmica.
5.3.2 Análisis de los factores y sus interacciones. La propiedad de factor K fue la
más sensible de las propiedades a los factores y sus interacciones dobles, con
valores de confiabilidad superiores al 80%, como se observa en el cuadro 10.
Cuadro 10. Tabla de anova para el análisis de la conductividad térmica.
RECURSO G.L. S.C. C.M. Fprueba P-value Tipo de Poliol 1 0,0000361 0,0000361 1,88 0,19
Porcentaje de Poliol 3 0,0001524 0,0000508 2,64 0,085 Proporción de Gases 1 0,0000551 0,0000551 2,86 0,11
T. Poliol*Porc.Pol. 3 0,0001034 0,0000345 1,79 0,19 T. Polio*Prop.Gases 1 0,0000551 0,0000551 2,86 0,11
Porc. Pol.*Prop. Gases 3 0,0001834 0,0000611 3,18 0,053 T. Polio*Porc.Pol.*Prop.Gases 3 0,0000854 0,0000285 1,48 0,258
Error 16 0,000308 0,0000193 Total 31 0,0009789
Como se observa en las figura 27, el polio poliéster 1, presentó en promedio un
mejor desempeño que el poliol poliéster 2, a una confiabilidad del 81%. El factor
0,0050,000-0,005
6
5
4
3
2
1
0
Residual
Freq
uenc
y
Histogram of the Residuals(response is Factor K)
IM-2003-II-40
60
porcentaje de poliol, obtuvo mejor desempeño en sus niveles medios, siendo el
nivel al 20% el que presenta mejor resultado.
Figura 27. Resultado de los efectos principales, sobre la conductividad térmica.
El factor de proporción de gases, mostró un mejor efecto de la conductividad en su
primer nivel a una significancia estadística del 89%.
Como se mencionó anteriormente, todas las interacciones dobles entre los
factores, tuvieron un efecto importante en la variabilidad de la conductividad
térmica. La más influyente, fue la interacción del factor porcentaje de poliol con el
factor proporción de gases, como puede verificarse en las figuras 28 y 29. El factor
porcentaje de poliol a los niveles de 10% y 30%, presenta un incremento del factor
T. Poliol Porc. Poliol Prop. Gases
POLIOL 1
POLIOL 2 10
%20
%30
%40
%1 2
0,1500
0,1512
0,1524
0,1536
0,1548
Fact
or K
(B
TU/in
./ft2
/hr/º
F)
Main Effects Plot - LS Means for Factor K
IM-2003-II-40
61
K, al probarse con el segundo nivel de el factor proporción de gases, mientras que
los niveles 20% y 40% prueban un efecto contrario.
Figura 28: Superficie de respuesta para la interacción del factor porcentaje de poliol y el factor proporción de gases.
El tipo de poliol poliéster 1, no mostró variabilidad importante al interactuar con el
factor proporción de gases, mientras que el poliol poliéster 2, tuvo un incremento
significativo de la conductividad, al interactuar con el segundo nivel de este factor.
De la interacción del factor tipo de poliol con el factor porcentaje de poliol, puede
destacarse, como se observa en la figura 29, que el poliol poliéster 1 obtuvo la
conductividad más baja, al nivel de porcentaje de poliol de 30%, mientras que el
poliol 2, obtuvo su segundo mayor incremento promedio en esta variable.
2,010
0,14
0,15
20
0,16
30 1,040
(BTU/in./ft2/hr/ºF)Conductividad
Superficie de respuesta para Factor K
Porcentaje de poliolde gases.Proporción
IM-2003-II-40
62
Figura 29. Efecto de la interacción de factores en la conductividad térmica.
10%
20%
30%
40%
1 2
0,150
0,155
0,160
0,150
0,155
0,160T. Poliol
Porc. Poliol
Prop. Gases
POLIOL 1
POLIOL 2
10%20%30%40%
Factor KInteraction Plot - LS Means for (BTU/in./ft2/hr/ºF)
Conductividad
IM-2003-II-40
63
6. CONCLUSIONES
Observando los resultados de la resistencia a la compresión producida por
el factor tipo de poliol, se muestra que el poliol poliéster 1, tiene el menor
promedio en compresión, medida en orientación normal y tiene el mayor
promedio en compresión, medida en forma paralela, es decir, presenta una
mayor variación de esta variable de respuesta (mayor dispersión de los
datos), que la encontrada con el poliol poliéster 2.
Para la resistencia a la compresión promedio mínima, o estimada en
sentido normal al crecimiento de la espuma, se puede asegurar con una
confianza de casi del 90%, que con un porcentaje del 40% de poliol
poliéster, se puede obtener mayores valores para la resistencia a la
compresión promedio mínima. Adicionalmente con una confianza del
99.8%, el factor de proporción de gases, a nivel 2, también mejora esta
propiedad, de igual forma. Finalmente una combinación de estos factores, a
los niveles propuestos, mejora la resistencia a la compresión, mejor que
cualquier otra combinación de niveles, a un nivel de confianza de casi el
85%.
IM-2003-II-40
64
La resistencia a la compresión promedio máxima, o estimada en sentido
paralelo al crecimiento de la espuma, mostró, a diferencia de la medida en
sentido normal, que el factor tipo de poliol es importante. El poliol poliéster
1, proporcionó una mayor resistencia de la espuma, con un nivel de
confianza del 98.3%. Además, y al igual que en el análisis en la orientación
normal, el porcentaje de poliol a un 40%, sigue siendo la mejor opción para
aumentar esta variable, con un nivel de confianza del 99%. El nivel 2, del
factor proporción de gases, también incrementa esta propiedad con un nivel
de confianza del 97.3%.
Para la resistencia a la compresión sería bastante interesante, probar los
polioles poliéster a un porcentaje mayor del 40%, ya que como se observó
en las gráficas y los resultados de los efectos principales, la resistencia a la
compresión mejoraba generalmente con un mayor porcentaje de la
concentración de este tipo de poliol.
La conductividad térmica mostró una variabilidad importante, presentando
valores más bajos de conductividad, el poliol poliéster 1, con un nivel de
confiabilidad del 81%. El nivel del factor porcentaje de poliol, que presenta
un mejor desempeño de esta propiedad, se encuentra entre el nivel del
20% y 30%, presentando el nivel del 20% una menor variabilidad de los
resultados cuando interactúa con otro factor. El nivel 1, de el factor de
IM-2003-II-40
65
proporción de gases, fue el que presento menores valores de factor K, con
una confiabilidad del 89%.
.Para futuros proyectos, como el presentado en este trabajo, sería más
conveniente controlar la orientación del crecimiento de la celda de la
espuma, y de ser posible, observar si el tamaño de la celda difiere
significativamente para cada uno de los tratamientos. Esto con el fin de
tener una mayor confiabilidad de que el análisis estadístico realizado, es un
buen predictor de lo que sucede realmente, al saber que la variabilidad
encontrada en las mediciones, es principalmente a los factores analizados y
no a causas adicionales de mayor impacto.
IM-2003-II-40
66
BIBLIOGRAFÍA
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IM-2003-II-40
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CLIFT, S.M. GRIMMINGER, J. And MUHA, K. 1994. “New Polyisocianurate Catalysts of Rigid Polyurethane Foams”, 35th Annual Polyurethane Technical Marketing Conference, p.546-560.
