carboximetil-celulosa: del nacimiento a la adopción

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Carboximetil-celulosa: del nacimiento a la adopción

Ing. Aldo Fernando Varela Martínez*

* Ingeniero Químico. Registro Civil del Distrito Fe-deral. México. [email protected]

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene como ob-jetivo mostrar el estudio que se ha realizado en el Registro Civil de la Ciudad de México en materia del uso del carboximetilcelulosa como agente adherente para la restaura-ción de los documentos.

Durante más de 150 años el Re-gistro Civil ha tenido la función de manifestar y dar fe de los documen-tos sustantivos que se encuentran clasifi cados en distintas series, y so-portados físicamente como parte del ejercicio jurídico. Por tanto, su res-ponsabilidad y compromiso es con-servar y mantener en condiciones dignas y saludables los documentos que dieron origen al acto (expedien-tes), y del documento generado (ac-tas), sin embargo, diversos factores han contribuido al deterioro poniendo en riesgo el patrimonio documental.

El recurso humano es la pieza fundamental de este equilibrio, par-tiendo del interés que se puede te-ner o no por conservar dignamente un patrimonio, no obstante, a ve-ces parece que no importa mucho o simplemente no se tiene respeto, va-lor, conocimiento y conciencia de lo que estos documentos representan.

He aquí el origen del problema que hoy enfrentamos, y es que no solo se trata de tomar conciencia de las malas prácticas que se han trasmi-tido generacionalmente, es necesa-rio revertir los enfoques y redirigir la tendencia para romper con los esquemas que erróneamente se han posicionado.

Como parte de la causa y efec-to que todo esto ha generado, es importante señalar la repercusión en los servicios a los usuarios con necesidad de realizar trámites que involucran al patrimonio, refl ejado en términos generales como “grado de deterioro”, causado por diversos fenómenos físicos, químicos y bio-lógicos. Cuando hablamos de este concepto, la ciencia archivística nos posiciona en uno de sus 5 ejes: la conservación. Este es el enfoque real que se debe adoptar.

La conservación se divide en dos ramas: preventiva y correctiva. Aun-que lo ideal es prevenir para no co-rregir, las necesidades que hoy en-frentamos para conservar existentes los soportes nos llevan a realizar ac-ciones correctivas, adoptando como medidas la restauración de los so-portes. Es indispensable realizar es-tudios e investigaciones mediante métodos experimentales para cono-cer los fenómenos que han causado

ISSN 0864-0769, NÚMERO 21, ENERO-DICIEMBRE 2013, PP. 61-77.

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tal efecto, y sobre todo, para cumplir con uno de los principios de la con-servación, la reversibilidad que ex-presa que todos los materiales que se utilicen en la restauración no deben ser causantes de un perjuicio mayor y su uso pueda ser reversible.

Uno de los factores que juega un papel importante para los conser-vadores de papel tiene que ver con la industrialización, la producción en masa dio origen a que los sopor-tes fueran elaborados a partir de la madera, cuya estructura molecular incluye una sustancia llamada lig-nina, que es la principal causante de la acidez. Si se suma a esto la fal-ta de control de la humedad relativa y la temperatura, los documentos sufren deshidratación, originando debilidad en las fi bras y la friabili-dad de los soportes. Por eso es im-portante llevar a cabo acciones que corrijan el daño.

A partir de enero del año 2010 hasta marzo del 2011, en las tareas restaurativas se empleaba el apresto de metilcelulosa (MC) como agente adherente sin embargo, la variable determinante para ser sustituido por carboximetilcelulosa (CMC) fue el costo. El uso de la MC constituía un problema en el proyecto porque representaba un impacto económi-co bastante grande. Así nace la al-ternativa de la CMC, como una gran opción, confi rmando con metodo-logías experimentales y analíticas el nacimiento de un nuevo enfoque que proyecta un óptimo aprovecha-miento de los recursos en la institu-ción, logrando así llegar a mejores resultados.

DESARROLLO

Problema

Las sustancias químicas presentes en las estructuras moleculares de los soportes, como la lignina, la falta de control de las condiciones físicas (la humedad relativa y la temperatu-ra), son factores determinantes para que se acidifi quen, se deshidraten y se debiliten las fi bras, dando origen a la friabilidad en los soportes, ade-más, el daño causado por la compo-sición química de algunas tintas se refl eja en un alto índice de deterioro que enfrentan los documentos.

La alternativa para frenar el de-terioro es la acción preventiva sin embargo, es indispensable llevar a cabo un amplio proyecto de restau-ración documental, sin olvidar el impacto económico que representa para la institución, por esa causa es importante buscar alternativas con metodologías experimentales que justifi quen seriamente la inversión de los materiales en el desarrollo del proyecto.

Objetivos

Justifi car mediante el análisis de la propiedad hidrofílica las ventajas que ofrece la molécu-la de carboximetilcelulosa, en comparación con la de metil-celulosa, para llevar a cabo la estabilidad de los soportes do-cumentales. Dar a conocer las pruebas ex-perimentales que se realizaron para determinar la concentra-ción de la mezcla de carboxi-metilcelulosa-agua, que más

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se adapte a la solución de los problemas restaurativos. Concientizar el impacto eco-nómico que representa usar el metilcelulosa (MC) contra el carboximetilcelulosa (CMC) en las tareas restaurativas.

Marco teórico

Para introducir al concepto de pro-piedad hidrofílica desde el punto de vista químico, es necesario com-prender que existen interacciones moleculares debido a las zonas electronegativas y electropositivas que forman las moléculas, un claro ejemplo de esto son las atracciones por puentes de hidrógeno.

El puente de hidrógeno

Los puentes de hidrógeno son un caso especial de interacción dipolo-dipolo entre las moléculas, en senti-do formal no son enlaces químicos,

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también pueden llamarse enlaces por puente de hidrógeno. El puente fuerte de hidrógeno se presenta en-tre moléculas covalentes polares que tienen H y uno de los tres elementos muy electronegativos de tamaño pe-queño como pueden ser: F, O y N.

Los puentes de hidrógeno resul-tan de la atracción entre los átomos δ+ de una molécula, en este caso átomos de H, y los átomos δ- de otra molécula. El tamaño pequeño de los átomos de F, O y N, aunado a su alta electronegatividad, concentran a los electrones de estas moléculas en torno de los átomos δ-, lo que causa que un átomo de H unido a uno de esos elementos muy electronegati-vos se vuelva muy positivo. Para el caso que nos interesa el átomo de H δ+ es atraído hacia la zona de elec-trones no compartidos del átomo de O de otro átomo diferente al que está unido en forma covalente (Fig.1).

Fig. 1. Puente de hidrógeno formado entre las moléculas de H2O, causando una interacción dipolar por la atracción electrostática entre la zona δ+ de la molécula

con la δ- de otra molécula.

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Propiedad hidrofílica de los compuestos

Se entiende que la naturaleza po-lar del agua da lugar a la atracción entre sus moléculas mediante los puentes de hidrógeno, ampliando así la posibilidad de interactuar con las densidades electrónicas de otras moléculas. Esto explica la capacidad que tienen diversos compuestos quí-micos para adaptarse a medios acuo-sos, teniendo en cuenta la propiedad hidrofílica de los compuestos.

Analizando dos estructuras mole-culares como son la metilcelulosa y la carboximetilcelulosa, nos damos cuenta que existen zonas con aporte electrostático debido a la presencia de radicales (OH), sin embargo, al compararlas se puede observar que

la formación de estos es dominante en la cadena del carboximetilcelu-losa con respecto a la de metilcelu-losa, esto nos conduce a plantear lo siguiente: el mayor número de ra-dicales (OH) favorece la interacción molecular con el agua debido a los puentes de hidrógeno, aumentando así su capacidad hidrofílica (Fig. 2). Este proceso favorece la hidratación que necesitan los soportes docu-mentales, al trabajar con estos com-puestos en la elaboración de agentes adherentes para los procesos de restauración.

El siguiente experimento respalda lo antes mencionado: teniendo dos cantidades iguales en masa y agre-gando la misma cantidad de agua, en dos muestras de CMC y MC res-pectivamente, se observa la canti-

Fig. 2. La presencia de un mayor número de radicales (OH) presentes en la molécu-la de carboximetilcelulosa en comparación con la de metilcelulosa favorece la unión mediante fuerzas de puentes de hidrógeno para la retención de moléculas de agua.

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dad de agua excedente en el MC, sin embargo es necesario agregar mayor cantidad de agua al soluto de CMC para efectuar la disolución.

Fig. 3. Capacidad hidrofílica del CMC y del MC.

Experimentación

La experimentación fue propuesta con dos fi nalidades:

Contrarrestar la resistencia en el uso de un nuevo producto por parte del personal que rea-liza los trabajos restaurativos.Determinar la concentración de la mezcla CMC-agua que aportara mayores soluciones a los problemas más frecuen-

1.

2.

tes en el proceso restaurativo, tales como:

La falta de adherencia de los materiales de restaura-ción con el soporte. Mayor resistencia en caso de necesidad para separar los materiales de soporte con un mínimo de afecta-ción a las fi bras, (esto ga-rantizaría reversibilidad y mayor durabilidad restau-rativa).Los tiempos de secado son muy largos cuando la mez-cla es poco viscosa y el so-porte presenta una textu-ra ondulatoria. En el caso contrario, al aumentar la concentración, disminuye el tiempo de secado y los materiales no se adhieren fi rmemente al soporte ade-más, la textura en el so-porte es muy grumosa.La facilidad de dispersar la mezcla sobre la superfi cie del soporte y los materia-les es un factor que infl uye directamente con los tiem-pos de la restauración.

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–

–

–

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Proceso experimental

Fig. 4. Esquema del proceso experimental dividido en tres fases.

Fase I

Elaboración de soluciones de carboximetilcelulosa-agua a diferentes con-centraciones.

Previamente se pesaron 5 cantida-des diferentes de CMC de: 2, 3, 4, 5 y 6 gramos respectivamente, con-juntamente con 5 volúmenes cons-tantes con 100 ml de agua.

Es importante enfatizar que la unión de los componentes se realizó en tiempo con las mismas condiciones ambientales.

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Se realizó el mezclado hasta el mo-mento de obtener homogeneidad en cada una de las soluciones.

Finalmente se obtuvieron las solu-ciones a diferentes concentraciones de CMC, previamente identifi cadas.

El siguiente cuadro resume las concentraciones expresadas de for-ma porcentual para cada una de las soluciones que fueron elaboradas.

Tabla 1. Cantidades de CMC en agua expresadas porcentualmente

N° Concentración de la solución CMC-agua (%)

1 2 2 3 3 4 4 5 5 6

Fase II

Aplicación y pruebas experimentales

En esta primera prueba se eligie-ron muestras de soportes del año de 1970 en tiras para ser unidas me-diante papel fabriano, a las cuales se les aplicó la mezcla CMC-agua, en distintas concentraciones.

Al realizar esta primera prueba se registró el tiempo de secado, así como la evaluación de la adherencia y el ondulamiento que presentaron los soportes en cada caso.

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Al realizar esta segunda prueba se registró el tiempo de secado, así como la evaluación de la textura ondulatoria que se obtuvo en cada caso.

En una segunda prueba se cubrie-ron 5 superfi cies de papel, aplican-do nuevamente una concentración diferente en cada una de ellas.

Después de secarse se desprende cada tira simulando la separación de forma mecánica de los materiales.

La tercera prueba consistió en la preparación de tiras de papel, a las que se les aplicó una solución de CMC-agua con diferente concentra-ción en cada una de ellas.

Posteriormente se pusieron en contacto directo sobre una lámina de papel.

Al realizar esta tercera prueba se re-gistró el tiempo de secado, así como la evaluación de la resistencia al des-prendimiento y el daño de las fi bras.

Para realizar la cuarta prueba se utilizó un colorante que fue agregado

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con la misma proporción a cada una de las soluciones, con la fi nalidad de analizar perfi les de contacto y deslizamiento entre el instrumento aplicador y la superfi cie del soporte, realizando tres aplicaciones por so-lución preparada.

Las aplicaciones también fueron rea-lizadas a tres diferentes tipos de so-portes, la imagen anterior muestra un papel bond actual, aquí se mues-tra la prueba sobre papel fabriano.

Prueba realizada sobre una mues-tra de papel de 1970.

Al realizar la cuarta prueba se eva-luó la facilidad de deslizamiento al contacto con el soporte, así como la cantidad depositada en la superfi cie de diversos soportes.

Una quinta prueba consistió en apli-car con horarios aleatorios las solu-ciones sobre pequeñas muestras, usando pequeñas aéreas de sopor-tes en contacto con papel fabriano para medir el tiempo que tardaba en secarse cada caso.

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Al realizar la quinta prueba se regis-traron los tiempo de secado, durante un período de 10 días y diversos ho-rarios manejados aleatoriamente.

Resultados

Es importante resaltar que las prue-bas se repitieron entre tres y cinco veces y los resultados arrojados fue-

Tabla 2. Resultado de las diversas pruebas en función de la concentración

Concentración (%)

Tiempo desecado (min) Adherencia Textura Resistencia Aplicación

y contacto2 7.3 1 1 2 33 6.9 3 2 1 14 5.4 5 3 4 25 4.2 4 4 5 56 3.5 2 5 3 4

ron evaluados en una escala del uno al cinco, de acuerdo a la siguiente asignación: 1=Muy malo; 2=Malo; 3=Regular; 4=Bueno; 5=Muy bueno. Posteriormente se calcularon los va-lores promedio del tiempo de secado que fueron medidos en distintas ho-ras durante diez días.

De tal manera que, en conjun-to, se presentan los resultados de tiempo de secado con los valores más repetitivos de las otras pruebas (Tabla 2).

En el Gráfi co 1 se muestra el com-portamiento que arrojó la experimen-tación para cada una de las diferen-tes concentraciones al ser evaluadas contra (teniendo en cuenta) el tiempo que tarda en secarse la solución.

Gráfi co 1. Perfi l del tiempo de secado a diferentes concentraciones de la solución de CMC-agua.

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El Gráfi co 2 esquematiza los re-sultados de cada una de las diferen-tes pruebas llevadas a cabo durante la experimentación en función de las diferentes concentraciones de la solución.

Análisis de resultados

Grafi car un empalme entre el tiem-po de secado y las diversas pruebas nos permite analizar, por regiones, cada una de las concentraciones en virtud de elegir la más conveniente.

Gráfi co 2. Perfi l de las diversas pruebas evaluadas a diferentes concentraciones de la solución

de CMC-agua.

Es muy importante resaltar que el comportamiento de la curva que refi ere al tiempo de secado es inver-samente proporcional a la concen-tración, es decir, a mayor cantidad de CMC el tiempo de secado de una aplicación es más corto, esto es ló-gico ya que dependiendo de la can-tidad de soluto se atraparía mayor cantidad de moléculas de agua, lo que origina que la mezcla sea más densa, dando como resultado que se presenten secados menos pro-

longados al momento de realizar las restauraciones.

Si nos posicionamos en las regio-nes cuya concentración está entre 2 y 3 % podemos observar que es la menos conveniente, ya que se pre-sentan problemas de adherencia, por ende, la resistencia es muy baja y fácilmente podrían separarse los materiales dando cabida a malos re-sultados en el momento de restau-rar, tampoco se tiene buen contac-to con las fi bras en el momento de

aplicar la solución, lo que nos lle-varía a realizar varias aplicaciones, humedeciendo más los soportes, como consecuencia obtendríamos una textura ondulada. Además, en esta región el tiempo que tardaría en secarse una aplicación es muy grande.

Por otra parte la región del 4 % parece ser más estable para los fi -nes propuestos, ya que se presenta la máxima adherencia, y una buena resistencia, sin embargo, contradic-

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toriamente no tiene una buena apli-cación al contacto con las fi bras, esta es la causa de que no sea la que mejor se ajuste.

Cuando se analizó la región del 5% se observó algo muy particular que no se presenta en ninguna de las otras, la presencia de resultados considerablemente aceptables en todas las pruebas (Gráfi co 4).

El comportamiento en esta región nos conduce a califi car la concen-tración del 5 % como la más acepta-ble para ser utilizada en las labores restaurativas, aunque no tiene la adherencia máxima, sí presenta va-lores muy aceptables en la totalidad de las pruebas.

Respecto a las otras pruebas, esta región tiene muy fácil aplicación y

Gráfi co 3. Análisis de resultados entre las diversas pruebas realizadas a diferentes concentraciones de CMC.

Gráfi co 4. Comportamiento grafi co en la región del 5% que presenta buenos resultados en la totalidad de las pruebas.

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buen contacto con las fi bras, logran-do una excelente resistencia. Ade-más de presentar una textura con poco ondulamiento sobre los sopor-tes, lo que confi rma que el tiempo de secado es corto.

Fase III

Conclusiones experimentales

El tiempo que tarda en secarse la aplicación de una solución de CMC-agua está relacionado de forma inversa a la cantidad de soluto en la mezcla. La presencia de texturas on-dulatorias sobre los soportes también se relaciona de forma inversa con la cantidad de so-luto en la mezcla. La concentración al 5 % de la solución CMC-agua es la más conveniente para favorecer las tareas restaurativas, ya que presenta buena adherencia y una excelente resistencia al desprendimiento de los mate-riales, además de tener tiem-pos más cortos en el secado.

Evaluación

Después de haber realizado la ex-perimentación y obtener un valor porcentual en la concentración de la mezcla CMC-agua, es importan-te comparar y justifi car los gastos del MC, realiza la misma función. Es importante señalar que la mez-cla elaborada con MC se trabaja en concentraciones del 11.3 % aproxi-madamente, para obtener resulta-dos satisfactorios.

Si planteamos la analogía y su-ponemos que al preparar dos solu-

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ciones en función de sus concen-traciones se obtendrían los mismos resultados, con la diferencia de que en un caso se usaría CMC y en el otro MC, podrían determinarse los gastos de ambos compuestos para la evaluación de un proyecto.

El factor de masa y costo

Para evaluar el factor másico es im-portante analizar las propiedades físicas que presenta un compuesto respecto a otro. El CMC y el MC son compuestos orgánicos con estructu-ras sólidas de forma granular, que varían en su tonalidad de acuerdo al grado de pureza que presentan, adoptando aspecto de polvo o hari-na desde blancuzco hasta ocre.

En las siguientes imágenes se muestran los tamaños de partícula de ambos compuestos, encontran-do partículas más pequeñas en la muestra de CMC haciendo que su densidad sea mayor que la del MC. Esto nos conduce a la conclusión de que el análisis del factor másico jue-ga un papel importante en la eva-luación de proyectos al considerar la inversión en los materiales.

Fig. 5. Partículas de CMC a contraluz.

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Fig. 6. Partículas de MC a contraluz.

Los resultados de la solución CMC-agua están directamente re-lacionados con las condiciones de presión, humedad y temperatura sin embargo, se logró adoptar una con-centración que nos permite afrontar favorablemente las diversas variables que muestran cada uno de los sopor-tes en el momento de restaurarlos.

Fig. 7. La solución de CMC-agua se presenta como un fl uído con una alta

viscosidad, lo que da como resultado un aspecto gelifi cado con propiedades

adherentes.

De manera directa, mientras ma-yor cantidad de soluto se requiera, mayor será el incremento del costo. La propuesta del siguiente ejercicio es elaborar 10 volúmenes de solu-

ción diferente al 5% de CMC y 11.3% de MC, para determinar el factor de incremento que representaría usar un compuesto con respecto del otro, así podrán ser evaluados en la in-versión de un proyecto de conserva-ción correctiva.

Si actualmente en el mercado el precio del CMC es de $250 y el del MC es de $900 por cada kilogramo en la Ciudad de México: ¿cuáles se-rían los factores de masa y costo respectivos?

Cálculos

En primer lugar ordenamos de for-ma sistemática los datos para rea-lizar los cálculos, tomando como base la elaboración de un litro de solución. Representando los cálcu-los en un orden creciente del volu-men de elaboración se enuncian las cantidades de masa y costo en las siguientes tablas.

Al realizar un comparativo gráfi -co podemos analizar la forma en que se incrementa considerablemente la cantidad de MC respecto a la de CMC, obviamente esta condición re-fl eja directamente el gasto que re-presenta usar un producto u otro.

Se estiman los factores de 2.26 para la masa y de 8.16 para el cos-to del compuesto, en otras palabras, cada litro de producto hecho con CMC reduce en un 56 % la cantidad de soluto que se utiliza para elabo-rarlo con MC. Por otra parte la inver-sión en la compra de los productos se vería incrementada 8.16 veces al trabajar con MC en consecuencia, la ventaja de utilizar un producto res-pecto del otro es el costo de inversión que se refl eja un ahorro del 87 %.

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Volumen (l) Costo MC ($) Costo CMC ($)

1 102 13

2 203 25

3 305 38

4 407 50

5 509 63

6 610 75

7 712 88

8 814 100

9 915 113

10 1 017 125

Tabla 3. Cantidades de masa y costo

Carboximetilcelulosa Concentración

Masa (Gr.)

Volumen (L) Costo ($)

50 1 12.5

Metilcelulosa Concentración

Masa (Gr.)

Volumen (L) Costo ($)

113.4 1 102.06

Tabla 4. Presentación de las cantidades másicas de MC y CMC ocupadas por cada litro de solución

Concentración (%)

Tiempo de secado

(min)Adherencia Textura Resistencia Aplicación

y contacto

2 7.3 1 1 2 33 6.9 3 2 1 14 5.4 5 3 4 25 4.2 4 4 5 56 3.5 2 5 3 4

Tabla 5. Presentación de los costos de MC y CMC invertidos por cada litro de solución

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Gráfi co 5. Factor másico del MC vs CMC.

Gráfi co 6. Factor de costo del MC vs CMC.

CONCLUSIONES GENERALES

La institución resguarda mi-llones de documentos en dis-tinto grado de deterioro, lo que refl eja la falta de acciones pre-

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ventivas serias, por lo tanto, es importante implementar-las, en conjunto con acciones correctivas que mejoren la es-tabilidad y la durabilidad de los soportes.

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La estructura molecular del CMC presenta mayor capaci-dad hidrofílica en comparación con la de MC, esta característi-ca permite la transferencia de moléculas de agua presentes en el medio ambiente median-te fuerzas de puentes de hi-drógeno, lo que garantiza que disminuya la deshidratación, equilibrando la estabilidad en las fi bras de los soportes. Es indispensable analizar los problemas que afectan la con-servación documental median-te propuestas y técnicas expe-rimentales, que se apeguen a un rigor científi co, con la fi -nalidad de encontrar resulta-dos que aporten y justifi quen el inicio de nuevos proyectos en favor de la conservación del patrimonio documental. Las pruebas realizadas refl e-jaron que los resultados pue-den variar considerablemente, en función de las cantidades del compuesto, sin embargo, se concluye que la concen-tración al 5 % de la solución CMC-agua es la que se adaptó mejor al benefi cio de las ta-reas restaurativas, presentan-do características de buena adherencia, excelente resisten-cia al desprendimiento de los materiales, buen contacto en las superfi cies de los soportes, poco ondulamiento y tiempos cortos de secado. Si se trabaja con una solución de CMC al 5 %, se logran re-sultados muy similares a los que se tendrían utilizando el

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MC, con la diferencia de que se reduce considerablemente las cantidades másicas en un 56 %. La inversión de compra para la elaboración de los aprestos se ve favorecida en un ahorro del 87 % al usar CMC en los procesos correctivos.

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