DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA ESTRUCTURA CELULAR VITROCERÁMICA PARA FILTRADO DE GASES DE COMBUSTIÓN EN 

MOTORES DIESEL          

ANDRES FERNANDO SARMIENTO SANTOS          

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 

BOGOTÁ, COLOMBIA 2008 

  

  

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNA ESTRUCTURA CELULAR VITROCERÁMICA PARA FILTRADO DE GASES DE COMBUSTIÓN EN 

MOTORES DIESEL     

Trabajo de Tesis de Magister  

Presentado al Departamento de Ingeniería Mecánica 

   

Presentado por Andrés Fernando Sarmiento Santos 

  

Dirigida por  

Jairo A. Escobar Dr Ing. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia 

     

Para optar al título de Magister en Ingeniería Mecánica 

    

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA 

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, COLOMBIA 

2008

  

                

A mi madre, padre y hermano                        

  

 

AGRADECIMIENTOS  

A Jairo A. Escobar, por darme  la oportunidad y  las herramientas para madurar académicamente. Un consejero y un amigo.   A  la  Universidad  Federal  de  Santa  Catarina  por  facilitar  parte  del  material  utilizado  para  el desarrollo del proyecto.   Al departamento de Ingeniería Química por colaborarme con algunos equipos.  A mi familia, en especial a mi madre, por sacarme hasta el final sin esperar nada a cambio.  Al equipo CIPP‐CIPEM, Ana Cristina, Fabián, Jimmy por colaborarme en todo  A mis amigos del  laboratorio de polvos, por estar siempre ahí, dispuestos ayudar. Camilo, Diego, Dairo, Flaco, Juli, German, Jarrett… muchas gracias. Ana Montes por recoger donde se dejó.  Carito,  la recta final es  la más complicada de todas, gracias por recorrerla a mi  lado,   por darme ese apoyo incondicional y por la ayuda incondicional.  

  

 

RESUMEN   Se desarrolló un estudio exploratorio para determinar el potencial del material vitrocerámico en la fabricación de una estructura celular porosa apta para ser utilizada como soporte de catalizador en la filtración del material particulado de los gases de combustión de motores diesel. Se utilizó el método de  réplica basado en espumas de poliuretano  (PU) de 45 y 60 poros por pulgada  (ppi). Este  proyecto determina  el  comportamiento de  algunas propiedades mecánicas  y morfológicas con respecto a tres variables de análisis: la densidad de poros, el tipo de suspensión cerámica y el porcentaje de compresión de la espuma en la etapa de remoción de material en exceso. El vidrio precursor corresponde a un sistema llamado LZSA (Li2O – ZrO2 – SiO2 – Al2O3). Se determinaron los mejores parámetros de  fabricación  correspondientes a una  suspensión  cerámica de 50/50  y un porcentaje de compresión  los 50% para  la obtención de espumas vitrocerámicas con parámetros similares a los de los filtros comerciales.  

  

 

  

INDICE  

1  INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 9 

2  JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 10 

3  DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................ 12 

4  DEFINICIÓN DEL PROBLEMA................................................................................... 14 

5  OBJETIVOS.............................................................................................................. 15 

6  REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA....................................................................................... 16 

6.1  Descripción General de filtros cerámicos .....................................................................................16 6.1.1  Tipos de soportes cerámicos........................................................................................................... 16 6.1.2  Mecanismos de filtración................................................................................................................ 17 6.1.3  Procesos de fabricación de soportes cerámicos: Método de Réplica............................................. 19 6.1.4  Material vitrocerámico ................................................................................................................... 24 

6.1.4.1  Clasificación............................................................................................................................ 25 6.1.4.2  Vitrocerámico procesado a partir de polvos .......................................................................... 26 

6.2  Características catalíticas de filtros cerámicos .............................................................................27 6.2.1  Generalidades ................................................................................................................................. 27 6.2.2  Catalizadores................................................................................................................................... 28 6.2.3  Interacción entre el soporte y catalizador ...................................................................................... 29 6.2.4  Catalizadores empleados en filtros de material particulado (caso diesel) ..................................... 29 

6.3  Sistemas de Filtración Comerciales..............................................................................................30 6.3.1  Sistema PSA..................................................................................................................................... 30 6.3.2  Sistema CRT (Trampa de regeneración continua)........................................................................... 31 

6.4  Caracterización de sistemas de filtraje.........................................................................................32 6.4.1  Parámetros a caracterizar............................................................................................................... 32 

6.4.1.1  Caracterización del catalizador en forma de sales ................................................................. 33 6.4.1.2  Caracterización del soporte cerámico (tipo espuma) ............................................................ 34 6.4.1.3  Caracterización del soporte impregnado con el catalizador (filtro cerámico) ....................... 35 

6.4.2  Diseño de un banco de pruebas...................................................................................................... 37 

7  METODOLOGÍA ...................................................................................................... 39 

I  

7.1  Diseño Experimental Etapa 1: Fabricación del soporte cerámico ..................................................40 7.1.1  Materias primas .............................................................................................................................. 40 

7.1.1.1  Material Cerámico (sistema LZSA) ......................................................................................... 41 7.1.1.2  Aditivos................................................................................................................................... 43 7.1.1.3  Fase líquida............................................................................................................................. 44 7.1.1.4  Sustrato polimérico ................................................................................................................ 44 

7.1.2  Descripción de equipos y montajes ................................................................................................ 46 7.1.2.1  Mufla Abarephor 1200........................................................................................................... 47 7.1.2.2  Placas paralelas ...................................................................................................................... 48 7.1.2.3  Calandra ................................................................................................................................. 49 

7.1.3  Diseño de aproximación ................................................................................................................. 49 7.1.3.1  Descripción de factores (variables) ........................................................................................ 49 7.1.3.2  Descripción de variables de salida ......................................................................................... 52 7.1.3.3  Procedimiento experimental.................................................................................................. 54 

7.1.4  Diseño de optimización................................................................................................................... 58 7.1.4.1  Descripción de factores (variables) ........................................................................................ 58 7.1.4.2  Descripción de variables de salida ......................................................................................... 59 7.1.4.3  Procedimiento experimental.................................................................................................. 60 

7.1.5  Fabricación y caracterización de los soportes cerámicos finales.................................................... 62 

7.2  Etapa 3: Evaluación del soporte cerámico como filtro activo........................................................63 7.2.1  Montaje y equipos .......................................................................................................................... 63 

7.2.1.1  Motor Diesel........................................................................................................................... 64 7.2.1.2  Soporte de filtros.................................................................................................................... 64 7.2.1.3  Sistema de medición de presión diferencial .......................................................................... 65 

7.2.2  Diseño Experimental ....................................................................................................................... 66 7.2.3  Procedimiento experimental .......................................................................................................... 67 

8  RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................................ 69 

8.1  Etapa 1: Resultados de la fabricación del soporte cerámico .........................................................69 8.1.1  Resultados y análisis del diseño de aproximación .......................................................................... 69 8.1.2  Resultados y análisis del diseño de optimización ........................................................................... 73 

8.1.2.1  Caracterización Morfológica de las réplicas vitrocerámicas .................................................. 73 8.1.2.2  Caracterización mecánica de las réplicas vitrocerámicas ...................................................... 85 

8.1.3  Resultados de caracterización de soportes cerámicos finales........................................................ 89 8.1.3.1  Fabricación de filtros de LZSA ................................................................................................ 89 8.1.3.2  Resultados de prueba de filtración con material particulado................................................ 90 8.1.3.3  Mejoramiento del banco de pruebas..................................................................................... 91 

9  CONCLUSIONES ...................................................................................................... 91 

10  RECOMENDACIONES........................................................................................... 92 

II  

11  REFERENCIAS ...................................................................................................... 94 

12  APÉNDICES.......................................................................................................... 97 

12.1  Apéndice 1: Análisis de Imagen para medición de porosidad .......................................................98 

12.2  Apéndice 2: Planos de construcción del soporte para los filtros .................................................103 

12.3  Apéndice 3: Imágenes SEM para análisis de morfologías............................................................107  

III  

 

LISTA DE FIGURAS  

Figura 1. Esquema de una partícula típica generada en la combustión del diesel[14]..................... 12 

Figura 2. Esquema funcional de filtros cerámicos (para gases de combustión de motores diesel) . 16 

Figura 3: Tipos de sólidos celulares: (Izquierda) monolito [16] (derecha) espuma[17].................... 17 

Figura 4. Diferentes métodos de filtración (a) filtración superficial (b) filtración intersticial[6] ...... 18 

Figura 5. Filtro tipo monolito (wall‐flow filter) [4; 16] ...................................................................... 18 

Figura 6. Mecanismos de separación (1) impacto inercial (2) intercepción (3) difusión browniana [6] ...................................................................................................................................................... 19 

Figura 7: Esquema de métodos de fabricación de estructuras cerámicas porosas .......................... 20 

Figura 8. Esquema ilustrativo del método de réplica........................................................................ 21 

Figura 9. Materiales ligantes[20]....................................................................................................... 22 

Figura 10. Dispersantes comúnmente utilizados [20]....................................................................... 23 

Figura 11: Trasformación del vidrio al vitrocerámico (a) Formación de núcleos (b) Crecimiento de cristales (c) Microestructura de un material vitrocerámico [24] ................................................. 24 

Figura 12: Microfotografías SEM de un material vitrocerámico del sistema LZS con cristales de ZrSiO4  con  tratamientos  térmicos  a:  (a)  640oC  (b)  670oC  (c)  700oC  durante  1  hora  con crecimiento a 750oC durante 15 minutos  (d) 670oC durante 1 hora    con  crecimiento a 750oC durante 3 horas [26].......................................................................................................................... 27 

Figura 13: Esquema  ilustrando  la formación de material vitrocerámico a partir de polvo vítreo                           (a) Compactado de polvo  vítreo  (b) Densificación  y  cristalización  incipiente  (c)  vitrocerámico  [24] .................................................................................................................................................... 27 

Figura 14. Catalizador no móvil y móvil (fase líquida). Ejemplo con una partícula de hollín [6] ...... 29 

Figura 15. Diagrama de el sistema PSA [4]........................................................................................ 31 

Figura 16. Sistema de filtración de regeneración continuo CRT por Johnson Matthey [16] ............ 32 

Figura 17. Ejemplo de ensayo de TPO [5] ......................................................................................... 33 

Figura 18: Montaje para medición de resistencia mecánica ............................................................ 35 

Figura 19. Ejemplo de prueba de caída de presión [4] ..................................................................... 36 

Figura  20.  Ejemplo  de  banco  de  pruebas  para  la  caracterización  de  filtros  de  material particulado. Imagen modificada [5] .................................................................................................. 38 

Figura 21. Etapas del proyecto para la obtención de filtros de material particulado ...................... 39 

Figura 22. Diagrama de flujo del proceso de reducción de tamaño de partícula del LZSA .............. 42 

IV  

Figura 23. Morfología del polvo vítreo después del proceso de molienda[35]. ............................... 43 

Figura 24. Distribución del tamaño de partícula LZSA (Cilas 1064 Liquid)........................................ 43 

Figura 25. TGA y DTG de las espumas de poliuretano. (línea continua 60 ppi y línea punteada 45 ppi) .................................................................................................................................................... 46 

Figura 26. Disposición de mufla Abarephor 1200 con cámara de control fabricada........................ 48 

Figura 27. Control del ciclo térmico en mufla Abarephor 1200........................................................ 48 

Figura 28. Extracción de suspensión en exceso por el método de placas paralelas......................... 49 

Figura 29. Extracción de suspensión en exceso por el método de calandra .................................... 49 

Figura 30. Mecanismo de contracción de espuma para el sinterizado............................................. 51 

Figura 31. Ciclo térmico y variable de temperatura de densificación............................................... 52 

Figura 32. Ejemplos de categorías: estabilidad dimensional ............................................................ 53 

Figura 33. Esquema de la geometría resultante después de la densificación de la espuma............ 53 

Figura 34. Medición del nivel de retención de forma de las muestras............................................. 53 

Figura  35.  Esquema  ilustrativo  del método  de  réplica  indicando  las  etapas  variables  para  el diseño de aproximación .................................................................................................................... 55 

Figura 36. Ciclo térmico aplicado en el diseño de aproximación...................................................... 57 

Figura  37:  Esquema  ilustrativo  del método  de  réplica  indicando  las  etapas  variables  para  el diseño de optimización ..................................................................................................................... 61 

Figura 38: Esquema del montaje del banco de pruebas ................................................................... 64 

Figura 39: Esquema del soporte para filtros ..................................................................................... 65 

Figura 40: Sensibilidad del sensor de presión MPX2100DP utilizado en el proyecto. Calibración con columna de agua ........................................................................................................................ 66 

Figura 41: Diagrama de flujo de procedimiento experimental para etapa 3.................................... 68 

Figura 42: Análisis de imagen de muestras de prueba 1 (diseño de aproximación)......................... 70 

Figura 43: Esquema ilustrativo de preparación de muestras para imágenes SEM........................... 73 

Figura 44: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 45 ppi bajo combinación de parámetros de fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista seccional interna ........................ 74 

Figura 45: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 45 ppi bajo combinación de parámetros de fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista superior externa......................... 75 

Figura 46: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 60 ppi bajo combinación de parámetros de fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista seccional interna ........................ 76 

V  

Figura 47: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 60 ppi bajo combinación de parámetros de fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista superior externa......................... 77 

Figura 48: Caso particular de análisis de diferencia de morfología entre interior y exterior de la espuma. Comportamiento generalizado en las otras muestras. Muestra 60FL4560. (Imágenes a la misma escala) ................................................................................................................................ 78 

Figura 49: Comparación morfología de espumas vitrocerámicas. Espumas de 45 ppi..................... 80 

Figura 50: Comparación morfología de espumas vitrocerámicas. Espumas de 60 ppi..................... 81 

Figura 51: Imágenes SEM (a) Espuma de PU de 45 ppi (b) Réplica LZSA de 45 ppi .......................... 82 

Figura 52: Imágenes SEM evidenciando destrucción de bordes de celda (a) espuma de PU de 45 ppi           (b) (c) réplicas LZSA ............................................................................................................ 83 

Figura 53: Imágenes SEM (a) Espuma de PU de 60 ppi (b) Réplica LZSA de 60ppi ........................... 84 

Figura 54: Imágenes SEM evidenciando destrucción de bordes de celda (a) espuma de PU de 60 ppi           (b) réplicas LZSA ................................................................................................................. 84 

Figura 55: Resultados de caracterización de espumas de 45 y 60 ppi.............................................. 87 

Figura 56: Resultados de caracterización de espumas de LZSA (marcadores rojos) con respecto a otras espumas. La variable de análisis corresponde a la densidad de celdas (ppi) [1]..................... 88 

Figura 57: Resultados de caracterización de espumas de LZSA (marcadores rojos) con respecto a otras espumas. La variable de análisis corresponde al porcentaje de compresión de las espumas en la etapa de remoción de material en exceso [1].......................................................................... 89 

Figura 58: Resultados de prueba de filtración de gas con material particulado con espuma de 60 ppi sin catalizador. ............................................................................................................................ 90 

 

VI  

 

LISTA DE TABLAS  

Tabla 1. Requerimientos principales de filtros a diseñar [13]. ......................................................... 14 

Tabla 2. Tabla de caracterización de materias primas de etapa 1.................................................... 40 

Tabla 3. Formulación para la preparación de la suspensión cerámica[22]....................................... 41 

Tabla 4. Composición química del vitrocerámico LZSA en wt% [35] ................................................ 41 

Tabla 5. Propiedad de espumas de poliuretano usadas en el proyecto ........................................... 44 

Tabla 6. Equipos y parámetros de operación para la etapa 1........................................................... 46 

Tabla 7. Prueba de orientación en el secado y sinterizado............................................................... 50 

Tabla 8. Variables y niveles del diseño de aproximación.................................................................. 52 

Tabla 9. Caracterización del soporte cerámico del diseño de aproximación. Variables de salida.... 54 

Tabla 10. Procedimiento detallado del diseño de aproximación...................................................... 56 

Tabla 11. Formulación de la suspensión FL50 utilizada en el diseño de aproximación.................... 56 

Tabla 12. Variables y niveles del diseño de optimización ................................................................. 59 

Tabla 13. Caracterización del soporte cerámico del diseño de optimización. Variables de salida... 60 

Tabla 14. Procedimiento detallado del diseño de optimización....................................................... 61 

Tabla 15: Resumen parámetros constantes en la fabricación de espumas vitrocerámicas (diseño de aproximación) .............................................................................................................................. 62 

Tabla 16. Caracterización de filtros finales ....................................................................................... 63 

Tabla 17. Sistemas de medición en banco de pruebas versión 1...................................................... 63 

Tabla 18: Variables diseño experimental de etapa 3 del proyecto................................................... 67 

Tabla 19. Resultados diseño de aproximación.................................................................................. 69 

  

VII  

VIII  

1 Introducción La búsqueda por soluciones al impacto ambiental y de salubridad humana causado por el material particulado  de  los  gases  de  combustión  de motores  diesel,  ha  generado  nuevos  desarrollos  e investigaciones  en  el  campo  de  sistemas  de  filtraje  para  el  tratamiento  de  gases  de  post‐combustión. Sistemas comerciales como el PSA System desarrollado por Peugeot‐Citroën Société d’Automobiles[1]  y  sistemas  de  regeneración  continuo  CRT  [1]  ambos  basados  en  filtros  tipo monolito  no  activos  catalíticamente,  han  sido  instalados  en  diferentes  flotas  vehiculares presentando una  solución al problema aunque  con algunas desventajas. Nuevas  investigaciones apuntan al desarrollo de filtros catalíticamente activos tanto tipo monolitos como tipo espumas [2; 3; 4; 5; 6; 7; 8]. La actividad catalítica asegura una reducción en las temperaturas de oxidación de los  gases  de  combustión  permitiendo  obtener  sistemas  de  filtraje  autoregenerativos.  Esto  es, sistemas que  con  la misma  temperatura de  la  salida de  los gases de  combustión,  sea  capaz de oxidar los gases contaminantes y de retener y oxidar el material particulado.  Existen varios métodos, materiales y procedimientos para la fabricación de estos filtros. El proceso consta de 2 etapas. La primera corresponde a la fabricación del soporte cerámico y la segunda a la impregnación catalítica.   Este  proyecto  tiene  como  objetivo  diseñar,  realizar  y  evaluar  el  proceso  de  fabricación  de estructuras celulares vitrocerámicas, por el método de réplica, para ser utilizadas como soportes catalíticos en filtros de material particulado y gases contaminantes en  la combustión de motores diesel.    

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2 Justificación  La búsqueda de fuentes de energía más eficientes y económicas siempre ha existido. La necesidad humana por  generar energía  capaz de mover,  transportar, generar electricidad, entre otros, ha llevado  al  desarrollo  de  diferentes  mecanismos.  Entre  ellos  están  los  motores  que  utilizan combustibles  fósiles,  como  es  el  caso  de  los motores  diesel.  Este  tipo  de motores  ha  logrado adquirir una posición en el mundo, en especial en el sector vehicular, con un crecimiento notable (6 a 7 millones de vehículos por año en Europa) [9]. El motor diesel no sólo ha incursionado en el área  vehicular  de  trabajo  pesado,  sino  que  también  se  está  popularizando  en  vehículos particulares  (como  es  el  caso  Europeo).Esta  popularidad  se  debe  principalmente  a  su  alta eficiencia  y  su  uso  racional  de  combustible  (los  motores  diesel  utilizan  el  ~30%  menos  de combustible  que  un motor  de  gasolina).  Por  beneficioso  que  sea  este motor,  y  los  desarrollos tecnológicos en este  campo, el motor diesel  sigue  considerándose  como una de  las principales fuentes de contaminación especialmente por el material particulado generado, no solo afectando el medio ambiente sino la salud humana [10].   Entre  las  emisiones  tóxicas  de  la  combustión  del  diesel  se  encuentran  el  NOx,  HC,  CO,  y  PM (Material Particulado). Poder determinar la composición exacta de los gases de combustión es una tarea  difícil,  ya  que  esta  depende  de  otros  factores  externos,  entre  los  que  se  encuentra  la operación  del  motor,  la  composición  química  del  combustible,  la  temperatura  del  medio ambiente,  entre  otros. De  igual  forma,  estimar  la  contribución  ambiental  de  las  emisiones  del diesel vehicular tampoco es tarea fácil, ya que el material particulado que se mide en el ambiente proviene también de otras fuentes. De igual forma, el material particulado proveniente del diesel deja un rastro que lo hace identificable entre las otras fuentes de material particulado. Esta huella corresponde a partículas de hollín (soot), también conocidas como carbón negro (BC) [10].   El material particulado del diesel está considerado como la emisión tóxica que más afecta la salud humana,  llevando  a  enfermedades  cancerígenas.  Según  estudios  realizados,  la  exposición  a material particulado proveniente del diesel por periodos prolongados de tiempo puede aumentar los  riesgos de cáncer pulmonar hasta en un ~40%. Esto se debe principalmente al contenido de hidrocarburos  poliaromáticos,  al  igual  que  el  tamaño  del material  particulado  que  varía  entre      10 nm y 200 nm  [1]. Estas emisiones  tóxicas no sólo afectan  la salud humana sino que  también afectan  de  manera  directa  el  medio  ambiente  causando  un  efecto  de  opacamiento  y  de calentamiento global, además de otras consecuencias como lluvia ácida [10]. Actualmente, Bogotá tiene una problemática ambiental debido a que el nivel de contaminación por material particulado supera en 7% el límite nacional y en 49% el límite internacional[11].  Esto  ha  hecho  que  se  genere  un  esfuerzo  por  solucionar  el  problema,  aplicando métodos  de control  sobre  las  emisiones  del  diesel,  al  igual  que  esfuerzos  por  mejorar  la  calidad  del 

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combustible. Entre  las soluciones que se han aplicado de manera efectiva están  los tratamientos post‐combustión.  Estos  son  básicamente  tratamiento  de  filtraje  y  catálisis  para  reducir  las emisiones tóxicas al medio ambiente, con resultados positivos de hasta un 90% en reducción de material  particulado.  El  funcionamiento  de  estos  filtros  depende  de  una  mejor  calidad  del combustible, en especial una  reducción del contenido de azufre  ( <15 ppm). El azufre desactiva con gran  facilidad el catalizador utilizado en estos sistemas de  tratamiento de post‐combustión, afectando el desempeño y  la viabilidad de estos filtros. Los  límites establecidos por regulaciones europeas (EURO4) han llevado a una reducción del contenido de azufre hasta valores inferiores a 50 ppm, lo cual también se ha logrado en otros países como es el caso de Estados Unidos [10].Para el caso de Colombia ECOPETROL S.A. adquirió el compromiso de reducir el contenido de azufre a 50 ppm para enero de 2010. Hoy, el diesel colombiano según  información de ECOPETROL S.A. es inferior a 1000 ppm, lo cual sigue siendo alto para procesos catalíticos de filtraje eficientes[12].   Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de filtros catalíticos para el control de emisiones de diesel vehiculares, adaptados a las necesidades y al panorama nacional.  

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3 Descripción del problema Aunque se ha avanzado en el desarrollo de motores diesel más  limpios, además de combustibles menos perjudiciales,  los gases de combustión de éstos siguen siendo un problema ambiental. La reacción química en un filtro de partículas sucede entre dos componentes: material particulado y gases oxidantes. En  la cámara de combustión de  los motores diesel, el combustible es  inyectado en forma de pequeñas gotas, las cuales presentan una ausencia de oxígeno en algunos casos. Esto conlleva a  la  combustión  incompleta y  la  formación de material particulado. De  igual  forma  los motores diesel  trabajan bajo un exceso de oxígeno el cual puede ser aprovechado para generar una combustión del material particulado en tratamientos de post‐combustión [13].   El material particulado que se genera en  la combustión del diesel corresponde a una estructura aglomerada  como  la  que  se  puede  ver  en  la  Figura  1.  El  núcleo  carbonífero  (hollín),  de  este aglomerado  se  forma  en  la  cámara  de  combustión  debido  a  una  combustión  incompleta.  Este tiene una organización atómica  similar a  la del grafito, pero contiene algunos átomos metálicos provenientes  del  desgaste  del motor  o  del  lubricante.  Además  de  esto,  algunos  componentes orgánicos  se encuentran presentes  sobre  la  superficie del hollín, así como  sulfuros en  forma de partículas de acidó sulfúrico provenientes de la composición química del combustible. También se encuentran depósitos de agua generados en el proceso de combustión. Esto es lo que compone el material particulado que se denomina PM10 o PM2.5 [13].    

Modos de nucleación 

Cenizas metálicas embebidas

Condensación de HC/H2SO4

Esferas  de  hollín  (aprox  25  nm  de  diámetro), incluye algo me material inorgánico  

       

Figura 1. Esquema de una partícula típica generada en la combustión del diesel[14].  Por  otro  lado,  los  gases  oxidantes,  correspondientes  al  segundo  componente  en  la  reacción, proviene  en  su  mayoría  del  oxigeno  residual  de  los  gases  de  combustión  del  diesel. Adicionalmente, también se encuentran otros gases como el NO2 que pueden ser aprovechados, por su alta reactividad (aun mayor que la del propio oxigeno).   Los gases de  combustión  son evacuados a altas  velocidades  (5 – 50 m/s)  con una  temperatura aproximada de 400oC cerca al motor y se enfrían rápidamente a medida que son evacuados. Esta temperatura no alcanza a oxidar  las partículas contaminantes, ya que se requieren temperaturas 

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de aproximadamente 500oC. Por este motivo se utilizan filtros catalíticamente activos, con el fin de bajar  la  temperatura a  la cual se generan  las  reacciones de oxidación, evitando  la utilización de mecanismos adicionales para aumentar  la temperatura de  los filtros. Lo que se busca es un filtro autoregenerante que sea capaz de oxidar  las partículas a medida que estas pasan a través de él [13]. 

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4 Definición del Problema Los requerimientos principales del filtro a diseñar se pueden ver en  la Tabla 1. Esta tabla no sólo permite  ver  las  características  principales  requeridas,  sino  su  implicación  en  el  campo  de tratamiento de gases.   

Tabla 1. Requerimientos principales de filtros a diseñar [13].  Características  Implicaciones 

Baja caída de presión  Menor consumo de combustible Resistencia al taponamiento  En un caso que  la  reacción catalítica  falle, el 

motor no puede dejar de operar. Operación en estado estable  Fácil de controlar Filtración continua  Bajo costo de inversión y mantenimiento Alta conversión y alta selectividad  Partículas  de  diferentes  tamaños  son 

retenidas y oxidadas Simple, de bajo costo y fácil de usar  Su  costo  debe  ser  inferior  al  de  otras 

soluciones y de fácil implementación 

 Existen algunas limitaciones sobre el filtro por el hecho directo de estar conectado al motor diesel. Estas  limitaciones  son  las  que  restringen  el  diseño  de  un  sistema  de  filtración  apto  para  esta aplicación. Entre estas limitaciones se encuentran:  

• Imposibilidad de controlar el flujo de los reactivos dentro del filtro. 

• Volumen del filtro fijo 

• Imposibilidad  de  controlar  la  composición  y  el  tamaño  de  partículas  generadas  por  la combustión incompleta del diesel. 

• Requerimiento de filtración continuo 

• Las características transcientes del sistema (más que estacionarias) 

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5 Objetivos El  objetico  principal  del  proyecto  es  diseñar,  realizar  y  evaluar  el  proceso  de  fabricación  de estructuras celulares vitrocerámicas, por el método de réplica, para ser utilizadas como soportes catalíticos en filtros de material particulado y gases contaminantes en  la combustión de motores diesel.   Como objetivos específicos se tienen:  

1. Selección, diseño, construcción e instalación de equipos de laboratorio necesarios para el desarrollo del proyecto. 

 2. Diseño, realización y evaluación del proceso de fabricación de las estructuras celulares 

cerámicas con el fin de obtener una estructura apta para ser utilizada como soporte de catalizador en filtros de gases de combustión de motores diesel 

 3. Caracterización mecánica de  las estructuras  celulares cerámicas obtenidas  con el  fin 

de evaluar el proceso  fabricación y  la  selección de  los  filtros más adecuados para  la aplicación específica. 

 4. Caracterización de los filtros cerámicos seleccionados bajo pruebas de flujo de gas con 

material particulado. 

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6 Revisión Bibliográfica 6.1 Descripción General de filtros cerámicos 

Un  filtro es un material poroso a través del cual se hace pasar un  líquido para clarificarlo de  los materiales que lleva la suspensión. La definición se puede ampliar a cualquier tipo de fluido, ya sea líquido o gas donde la función del filtro es la de retener partículas determinadas.   Existen varios  tipos de  filtros de  los cuales este proyecto se enfocará en solo uno, basado en  la finalidad del proyecto  la cual es  la filtración de material particulado de  la combustión del diesel. Más  adelante  se  avaluará  la posibilidad de  activar  catalíticamente estos  filtros para mejorar  su desempeño.  La Figura 2 muestra un esquema  funcional de  los  filtros  cerámicos utilizados en  la filtración  del  material  particulado  de  gases  de  combustión  de  motores  diesel.  Este  esquema permite dar una idea de la clasificación, mecanismo de filtración, y la interacción entre el soporte y el catalizador.   

  

Figura 2. Esquema funcional de filtros cerámicos (para gases de combustión de motores diesel)   

6.1.1 Tipos de soportes cerámicos 

Gibson[15] define  los  sólidos  celulares  como un  conjunto de  celdas  con bordes o  caras  sólidas, unidas  para  llenar  un  espacio.  Estas  estructuras  hacen  parte  de  la  naturaleza  que  rodea  al  ser humano  y  se  encuentran  en  corales,  esponjas  marinas  y  corresponden  a  la  estructura  de  la madera, entre otros ejemplos.  

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 Los materiales  celulares  están hechos de una  red  interconectada de bordes,  los  cuales  forman celdas  con una geometría determinada. Estos bordes pueden  llegar a  tener dimensiones desde algunos milímetros hasta algunos micrómetros. Por este motivo, aunque los bordes estén hechos de  un  material  específico  con  ciertas  propiedades  determinadas,  los  sólidos  celulares  deben considerarse como un material nuevo con unas propiedades específicas debido no solo al material de los bordes sino a la morfología de la estructura que los compone [15].  Los sólidos celulares se pueden dividir en dos grupos, debido a su estructura principal: Monolitos (honeycombs) y espumas (foams).   Por  un  lado,  en  los monolitos,  las  celdas  están  organizadas  en  largos  canales  bidimensionales. Estos canales se encuentran separados por paredes que pueden llegar a ser muy delgadas (algunos cientos de micrómetros) y que a su vez pueden llegar a ser porosas (poros de ~ 10 µm). Las celdas en este  caso pueden  ser  fabricadas  con  varias geometrías utilizando  técnicas  como extrusión o apilación de láminas como se puede observar en la Figura 3 [15].  El otro tipo de sólido celular corresponde a una estructura tridimensional que recibe el nombre de espuma por su parecido morfológico a una formación de espumas de jabón como se muestra en la Figura 3. Esta estructura corresponde a una red tridimensional formada por bordes la cual genera estructuras  geométricas  tipo  tetradekaedricas  (organización  natural  de  la  espuma  –  mayor empaquetamiento en el espacio). Estas espumas pueden ser de celda abierta o celda cerrada[15].  

                   Figura 3: Tipos de sólidos celulares: (Izquierda) monolito [16] (derecha) espuma[17] 

6.1.2 Mecanismos de filtración 

Existen dos mecanismos básicos por medio de los cuales se lleva a cabo el proceso de filtración a través  de  un medio  poroso:  filtración  superficial  “cake  filtration”  y  filtración  intersticial  “deep filtration”, los cuales se explicarán a continuación[1].   

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 Figura 4. Diferentes métodos de filtración (a) filtración superficial (b) filtración intersticial[6] 

 Filtración Superficial   En  la  filtración  superficial  se deposita una  capa de material particulado  sobre el  filtro poroso a medida que las partículas son retenidas. Esta capa acumulada se convierte en el verdadero medio de filtración, reteniendo partículas por efectos geométricos cada vez menores. Este mecanismo de filtración es el que está presente en los filtros tipo monolito (wall‐flow filter). La estructura original del monolito  es modificada  con  el  fin de  generar una  estructura  filtrante. Mientras uno de  los lados está abierto, el  lado opuesto se encuentra cerrado, forzando el gas a pasar a través de  las paredes del filtro por poros cuyo diámetro es aproximadamente 9μm, como se ve en la Figura 4a y Figura 5 [1].   

          

Figura 5. Filtro tipo monolito (wall‐flow filter) [4; 16]  Aunque  se  logran  obtener  eficiencias  de  retención  de  partículas  cercanas  al  95%,  estos  filtros presentan un defecto. Como se mencionó anteriormente, el mecanismo de filtración corresponde a una acumulación de partículas en  la superficie porosa original. Esta acumulación con el tiempo genera un taponamiento  llevando a una caída de  la permeabilidad del filtro, por  lo cual se debe hacer una limpieza periódica o pasar el filtro por un proceso de regeneración [1].   

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Filtración Intersticial  En  la  filtración  intersticial  se  retiene  el material  particulado  por  tres mecanismos  básicos  de separación: impacto inercial, intercepción y difusión browniana, como se puede ver en la Figura 6 [1].   

  

Figura 6. Mecanismos de separación (1) impacto inercial (2) intercepción (3) difusión browniana [6]  Este tipo de filtraje tiene una eficiencia inferior en cuanto a retención de material particulado que el  mecanismo  de  filtración  superficial  (entre  50  –  60%)  bajo  los  mismos  parámetros  de funcionamiento. Por otro lado, una ventaja de este mecanismo es la no necesidad de un proceso de  limpieza,  ya  que  estos  filtros  son  considerados  como  auto‐regenerantes.  Esto  significa  que después  de  un  tiempo  de  operación  la  retención  de material  particulado  decae,  evitando  un incremento en  la presión diferencial. Este mecanismo de filtración es el que está presente en  las espumas cerámicas como se puede ver en la Figura 4a donde el diámetro promedio del poro es de 200µm [1] [6].  

6.1.3 Procesos de fabricación de soportes cerámicos: Método de Réplica 

Este  proyecto  se  concentrará  principalmente  en  la  fabricación  de  soportes  cerámicos  tipo espumas. Por esta razón, el proceso de fabricación mencionado en este capítulo solo abarca este tipo  de  soporte.  Los  procesos  de  fabricación  de  soportes  cerámicos  tipo  honeycomb  son estudiados en otras referencias [1] [15].  Existen  varios métodos  para  la  fabricación  de  espumas  cerámicas  donde  intervienen  un  rango amplio de  técnicas de procesamiento  como  se puede observar en  la Figura 7. Estas  técnicas de procesamiento pueden ser divididas en varios grupos como son:  

• Método de réplica donde se impregnan espumas poliméricas en una suspensión cerámica [1; 18].  

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• Espumamiento  de  suspensiones  cerámicas  por  medio  de  agitación  mecánica  o introducción de gases[1; 17; 18; 19].  

• Incorporación de aditivos de sacrificio en forma de camadas [1; 17].  

A. Réplica 

Estructura a replicar

Suspensión cerámica

 Figura 7: Esquema de métodos de fabricación de estructuras cerámicas porosas 

 Para efectos del proyecto desarrollado, se explicará en detalle el primer método correspondiente al  método  de  réplica  ya  que  es  el  utilizado  para  la  fabricación  de  las  estructuras  celulares cerámicas. Este método es uno de los más conocidos y más utilizados en la industria para generar espumas cerámicas de celda abierta desde que  fue patentada en 1963 por Schwartzwalder and Somers.  Dependiendo  de  la  aplicación  final  de  las  espumas  cerámicas,  varios  factores  en  el proceso de fabricación deben ser cuidadosamente analizados.  El método de réplica consiste en  la  impregnación de un material orgánico con porosidad abierta con una suspensión cerámica, seguido por un proceso térmico de quema y sinterización, como se ilustra  en  la  Figura  8.  Cada  uno  de  estos  subprocesos  será  descrito  a  continuación  de  forma general.    

Estructura replicada 

GasSuspensión cerámica

B. Espumamiento 

C. Material de sacrificio 

Material de sacrificio 

Suspensión cerámica

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Suspensión cerámica 

Polvo cerámico

 Figura 8. Esquema ilustrativo del método de réplica 

 Polvo Cerámico:  Las estructuras celulares cerámicas pueden ser fabricadas utilizando distintos tipos de materiales cerámicos como es el caso de  la alúmina  (Al2O3),  la zirconia  (ZrO2), carburo de silicio  (SiC), o de algunos  otros  materiales  como  los  materiales  vitroceramicos.  La  utilización  de  diferentes materiales  es  lo  que  permite  a  la  estructura  celular  tener  diferentes  propiedades  destinadas  y diferentes  aplicaciones.  El  tipo  de material  cerámico  utilizado  genera  la  necesidad  de  utilizar diferentes tipos de aditivos para obtener las suspensiones deseadas.  Aditivos:  Para poder procesar cualquier tipo de material cerámico, es necesario la utilización de diferentes aditivos como el  líquido/solvente,  ligantes, dispersantes,  lubricantes, agentes espumantes, entre otros.  Para  la  fabricación  de  las  estructuras  celulares  por  el método  de  réplica,  solo  los  tres primeros son importantes. Estos se describen a continuación.  Líquido/solvente: En  las  suspensiones  cerámicas  el  líquido  o  solvente  juega  un  rol  importante  como medio  de dispersión  del material  particulado.  Entre  diferentes  líquidos  utilizados  se  encuentra  el  agua  y algunos  líquidos  orgánicos  como  los  alcoholes  [20].  Es  necesaria  una  selección  adecuada  del liquido dispersante ya que  las propiedades de  las suspensiones, como  las propiedades reológicas se ven influenciadas por el tipo de líquido utilizado como medio dispersante [21].  

Impregnación de la espuma de PU con 

la suspensión 

Aditivos 

Espumas de PU 

Extracción suspensión en 

exceso

Ciclo térmico 

Espuma cerámica 

21  

Ligantes: Los  ligantes pueden  tener  varias  funciones  en  el  procesamiento  cerámico  y  son  conocidos  con diferentes  nombres  como  por  ejemplo:  agentes  de  mojabilidad,  ayudantes  de  suspensión, ayudantes reológicos, entre otros. La función principal de estos ligantes está enfocada a mejorar la resistencia  en  verde  (antes de  la  sinterización) de  las piezas  cerámicas.  Los  ligantes  se pueden dividir en dos tipos: arcillas minerales coloidales y  ligantes moleculares como se puede ver en  la Figura 9   

 Figura 9. Materiales ligantes[20] 

 Las arcillas son utilizadas en el procesamiento de algunos cerámicos donde residuos de alúmina y sílice  son  aceptables.  Por  otro  lado,  los  ligantes  moleculares  varían  en  una  gama  amplia  de composiciones y pueden ser tanto naturales como sintéticos [20].   Dispersantes: También conocido como defloculantes, se encargan de promover una fuerza de repulsión entre el material particulado de la suspensión por efectos de cargas eléctricas. Esto evita aglomeración del material  cerámico,  permitiendo  mantener  el  material  cerámico  suspendido  en  el  medio dispersante. Los dispersantes pueden ser orgánicos o inorgánicos como lo muestra la Figura 10.  

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 Figura 10. Dispersantes comúnmente utilizados [20] 

 Espuma polimérica de base:  La  intensión  del método  de  réplica,  como  su  nombre  lo  indica,  corresponde  en  replicar  una estructura  porosa  ya  existente.  Para  esto  se  pueden  utilizar  diversas  estructuras  porosas encontradas  en  la  naturaleza  como  algunas maderas  y  fibras  naturales,  o  estructuras  de  fácil fabricación  como  espumas  poliméricas,  especialmente  de  poliuretano.  La  porosidad  necesaria para  la  réplica debe  ser  una porosidad  abierta que permita  la  impregnación  con  la  suspensión cerámica.  Para  el  sustrato  polimérico  lo  usual  es  utilizar  espumas  de  poliuretano  de  celda  abierta  con diferente tamaño de poro. Como se ha mencionado con anterioridad, las espumas requeridas para ser utilizadas  como  soporte polimérico para el proceso de  réplica,  corresponden a espumas de celda abierta. Entre mejor sea  la calidad de  la celda de estas espumas, esto es, ventanas de  las celdas  sin  taponamiento, mejor es  su  réplica  cerámica. Este es un  factor muy  importante en el proceso de réplica como se ha expuesto en trabajos previos [22]. En el mercado internacional este tipo  de  espumas  se  conocen  como  reticulated  foams.  Este  tipo  de  espumas  corresponden  a espumas de poliuretano  fabricadas por el método  tradicional, pero con un proceso adicional de apertura de celdas ya sea por métodos químicos o térmicos.   El método  químico  consiste  en  hacer  pasar  la  espuma  por  un  baño  caustico  con  temperatura, concentración  y  tiempo  controlado.  La  solución  caustica  disuelve  las  membranas  poliméricas presentes en  las ventanas de  las  celdas, dejando únicamente el esqueleto  celular. Este método deja algunos  residuos particulados en  la espuma haciendo que  su uso no  sea válido en algunas aplicaciones médicas.  Por  otro  lado,  la  alta  rugosidad  superficial  resultante  del  baño  caustico permite  que  la  espuma  sea  apta  para  aplicaciones  de  retención  de  líquidos  por  sus mayores valores de tensión superficial comparado con otros métodos de fabricación [23].   El método térmico consiste en la ubicación de la espuma polimérica en un recipiente con presión de vacío que  luego es  llenado con una mezcla de gas explosivo. Este gas es  incendiado haciendo que  pase  una  llama  controlada  a  través  de  la  espuma.  Esta  llama  quema  las  membranas poliméricas  en  las  ventanas  de  las  celdas  que  quedaron  cerradas.  El  acabado  superficial  del esqueleto polimérico es suave y libre de contaminantes, lo que lo hace perfecto para aplicaciones médicas [23].  

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 Ciclo térmico:  En el método de réplica, el ciclo térmico consta en general de dos etapas:  la quema del material orgánico de soporte y la densificación del material cerámico. En la primera etapa lo que se busca es eliminar el material orgánico en su totalidad que en  la mayoría de  los casos corresponde a  la espuma de poliuretano, con el fin de obtener una pieza en verde con la misma estructura porosa que el material base. La segunda etapa del proceso corresponde a las sinterización y densificación del material cerámico hasta alcanzar propiedades mecánicas aptas para las distintas aplicaciones. Los tiempos y las temperaturas en el ciclo térmico dependen en gran parte de las materias primas utilizadas.   

6.1.4 Material vitrocerámico 

Se dedica esta  sección a  los materiales vitrocerámicos ya que corresponde al material cerámico utilizado  en  la  fabricación  de  las  estructuras  porosas  de  este  proyecto.  Los  materiales vitrocerámicos  se  consideran  como  materiales  cerámicos  que  se  obtienen  por  medio  de  la nucleación  y  cristalización  de  un  vidrio,  como  se  observa  en  la  Figura  11.  El  control  de  la cristalización del vidrio se basa en la eficiencia de la nucleación de granos. Este control permite la obtención de unos  granos  finos  y  aleatoriamente distribuidos en  la matriz  vítrea,  los  cuales no presentan ningún tipo de micro grietas o porosidades [24].   

 Figura 11: Trasformación del vidrio al vitrocerámico (a) Formación de núcleos (b) Crecimiento de cristales 

(c) Microestructura de un material vitrocerámico [24]  Como muchos hallazgos científicos, los vitrocerámicos nacieron por una equivocación. A mediados de  los años 50 el estadounidense que trabajaba para Corning Glass Works, S. Donald Stookey, se encontraba precipitando partículas de plata en una matriz vítrea de silicato de  litio con el fin de obtener  una  imagen  fotográfica  permanente.  Accidentalmente  el  horno  con  el  que  estaba trabajando  se  sobrecalentó  llegando  a  una  temperatura  de  850oC.  Lo  que  esperaba  encontrar Stookey era una masa fundida de vidrio, pero por el contrario se encontró con una pieza blanca que  guardo  las  dimensiones  del  recipiente  donde  estaba  alojado  el  vidrio  precipitado. Coincidencialmente, a Stookey dejo caer  la pieza  la cual  logró soportar el  impacto demostrando una resistencia mucho mayor que la de los vidrios [24; 25]. 

24  

 Un descubrimiento previo en el área le ayudaría a Stookey en el desarrollo de las aplicaciones de los materiales vitrocerámicos. En 1951 Hummel reportó que los aluminosilicatos de litio contenían una fase β‐spudomena con un coeficiente de expansión térmica muy bajo,  incluso negativo. Esta observación permitiría la obtención de materiales con muy alta resistencia al choque térmico. Con esto,  Stookey  pudo  comenzar  a  visualizar  el  potencial  de  su  descubrimiento.  En  siguientes investigaciones  descubrió  que  el  TiO2  correspondía  a  un  agente  nucleante  con  muy  buenos resultados. De  esta  forma  se  iniciaron  los  trabajos  en  relación  a  los materiales  vitrocerámicos obteniendo  las  primeras  aplicaciones  en  el  área  de  materiales  refractarios  para  cocina CORNINWARE [24; 25].  

6.1.4.1 Clasificación 

Los materiales vitrocerámicos se pueden dividir en varios grupos dependiendo de la fase cristalina principal: β‐ spudomena, β‐cuarzo, corderita, mica y silicato de litio [26].  

• β‐ spudomena: Esta  fase  (Li2O.Al2O3.nSiO2) se obtiene a  través de  la nucleación acelerada por medio del agente  nucleante  TiO2  a  una  temperatura  de  780oC.  El  crecimiento  posterior  de  los cristales se realiza a temperaturas de 1125oC. La aplicación de este vitrocerámico es en las superficies para calentar alimentos y en algunos utensilios de cocina.  

 

• β‐cuarzo: Estos  vitrocerámicos  contienen  cristales  muy  finos  de  cuarzo,  los  cuales  le  dan  una propiedad  óptica  de  trasparencia  al  material.  La  temperatura    máxima  para  los tratamientos  térmicos  corresponde  a  900oC,  ya  que  una  temperatura  más  elevada causaría  una  transformación  de  fases  entre  β‐cuarzo  y  β‐  spudomena.  Para  este vitrocerámico los agentes nucleantes corresponden a TiO2 y ZrO2. Las propiedades ópticas combinadas  con  el bajo  coeficiente de  expansión  térmica hace  apto  este material para aplicaciones  en  telescopios,  en  la  fabricación  de  espejos  y  lentes.  También  encuentra aplicaciones en el área de la cocina.  

 

• Corderita: La  corderita  (2MgO2.Al2O3.5SiO2)  es  una  fase  cristalina  que  le  otorga  al  material propiedades  elevadas  de  resistencia mecánica,  junto  con  resistividad  eléctrica.  Entre  la aplicaciones esta su uso como cápsula de antenas de radares y puntas de misiles.   

• Mica: Estos vitrocerámicos están compuestos por distintos tipos de micas compuestas todas por flúor (KMg3AlSi3O10F2 ; KMg2,5SiO10F2). Los cristales de mica tiene una forma de laminas, lo 

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que permite obtener materiales  vitrocerámicos  con  tolerancias  relativamente pequeñas (±0.01 mm).   

• Silicato de litio: Las  fases cristalinas presentes corresponden a metasilicato de  litio  (Li2SiO3) y en algunos casos a disilicato de litio (Li2Si2O5). Para este vitrocerámico, la cristalización no es inducida por  temperatura  como  en  los  casos  anteriores,  sino  que  más  bien  es  inducida  por radiación ultravioleta. Esto se debe a  la presencia de CeO2 en el vidrio precursor,  la cual actúa como sensibilizador,  y a la plata metálica, que actúa como agente nucleante. 

 

6.1.4.2 Vitrocerámico procesado a partir de polvos 

El procesamiento de estructuras vitrocerámicas a partir de polvo vítreo es la técnica utilizada para la fabricación de las estructuras celulares en este proyecto.   Entre los últimos desarrollos en el área de los materiales vitrocerámicos, está la introducción de un método de manufactura alternativo que ofrece varias ventajas sobre los métodos tradicionales de fabricación  de  vitrocerámicos  monolíticos  [26].Este  método  consiste  básicamente  en  la sinterización y cristalización de polvo vítreo.  Entre las ventajas ofrecidas por este método están:  

• La implementación  de técnicas de conformación utilizadas con otros materiales cerámicos para la obtención de piezas con geometría complejas: Colada, compresión, extrusión, slip casting, e incluso inyección [24].  

• La posibilidad de  generar  recubrimientos  sobre metales u otros  cerámicos debido  a  las altas  tasas  de  flujo  antes  de  la  cristalización. Una  aplicación  comercial  de  esta  ventaja corresponde a los recubrimientos sobre baldosas y azulejos [24]. 

• La  habilidad  de  utilizar  los  defectos  superficiales  del  polvo  vítreo  (generados  en  la molienda) como sitios de nucleación en la etapa de cristalización [24]. 

• Los  vitrocerámicos  a  partir  de  polvos  requieren  ciclos  térmicos  más  cortos  y  menos exigentes que para  los  vitrocerámicos monolíticos. Estos  se  consolidan de  forma  rápida después de un único ciclo de tratamiento térmico [26]. 

 El proceso para la obtención del polvo precursor del vitrocerámico está basado en la fundición de los diversos componentes del vidrio. Una vez se obtiene  la masa fundida, esta es enfriada a altas tasas, generando partículas de vidrio de algunos milímetros llamadas fritas. Luego estas fritas son molidas para alcanzar tamaños de partículas entre 3 y 15  µm. Este material particulado es el que se  utiliza  para  la  conformación  de  distintas  geometrías  bajo  las  técnicas  tradicionales  de procesamiento de materiales cerámicos y luego pasan a un ciclo de tratamiento térmico [24].   Durante la primera etapa del ciclo, antes de la temperatura de transición vítrea (Tg) del material, la microestructura del material se considera un empaquetamiento aleatorio de polvo vítreo. Una 

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vez  la  temperatura  pasa  Tg,  los  mecanismos  de  sinterización  por  flujo  viscoso  comienzan  a predominar  generando  una matriz  viscosa  antes  de  la  formación  completa  de  los  cristales.  Al elevar más la temperatura, los cristales comienzan a crecer hasta generar microestructuras típicas de materiales vitrocerámicos como los observados en la Figura 12 [24; 27]. El esquema de la Figura 13 muestra la formación de material vitrocerámico a partir de polvo vítreo.   

                 (a)                  (b) 

                 (c)                  (d) Figura 12: Microfotografías SEM de un material vitrocerámico del sistema LZS con cristales de ZrSiO4 con tratamientos térmicos a: (a) 640oC (b) 670oC (c) 700oC durante 1 hora con crecimiento a 750oC durante 15 

minutos (d) 670oC durante 1 hora  con crecimiento a 750oC durante 3 horas [26].  

 Figura 13: Esquema ilustrando la formación de material vitrocerámico a partir de polvo vítreo                           

(a) Compactado de polvo vítreo (b) Densificación y cristalización incipiente (c) vitrocerámico  [24]  

6.2 Características catalíticas de filtros cerámicos 

6.2.1 Generalidades 

En  los  procesos  de  filtración  de  gases,  es  deseable  no  sólo  una  filtración  física  donde  sólo  se retengan partículas, sino que también exista algún tipo de reacción química. Los filtros catalíticos son aquellos que poseen la propiedad de modificar la velocidad de transformación en un sistema 

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de  reacción  [28],  además  de  servir  como  barreras  físicas  impidiendo  el  paso  de  determinadas partículas.  Los filtros catalíticos poseen varias ventajas en relación con los filtros tradicionales como son:  

• La  reducción  de  etapas  de  procesos  donde  se  integran  tanto mecanismos  de  filtración física, como mecanismos de reacción química. 

• Una reducción en los costos de proceso consecuencia del punto anterior. 

• Ahorro de energía debido a un aumento en la eficiencia del proceso.  

• Reducción de los tamaños físicos de los reactores por la integración de varias etapas.  No cualquier estructura celular cerámica es apta para ser utilizada como soporte de catalizador. Se deben tener en cuenta propiedades morfológicas de  la estructura, al  igual que el material de  las mismas.  De  igual  forma  el  catalizador  utilizado  es  de  vital  importancia.  Entre  las  propiedades principales que requieren los filtros catalíticos están [1]:  

• Una buena estabilidad termoquímica y termomecánica 

• Una alta eficiencia de separación. La estructura debe ser capaz de separar las partículas de tal forma que se evite el taponamiento o la desactivación del catalizador. 

• Una  alta  actividad  catalítica  que  asegure  velocidades  de  reacción  altas  con  velocidades superficiales elevadas, asegurando reacciones completas.  

• Baja caída de presión. La presión diferencial que genera el  filtro no debe ser muy alta y además debe ser constante durante el tiempo. 

• Bajo costo de producción para competir con técnicas actuales.   Se debe obtener un punto de operación óptimo entre velocidades superficiales de flujo (factibles) y  tiempos  de  residencia  dentro  del  filtro,  con  lo  que  se  asegure  reacciones  completas.  La necesidad de aumentar los tiempos de residencia o disminuir la velocidad superficial, haría que los costos aumentaran, haciendo el filtro menos factible para aplicaciones industriales [1].   

6.2.2 Catalizadores 

La catálisis hace parte de  la cinética química. Este  término agrupa  los mecanismos y  fenómenos que  permiten  que  una  reacción  incremente  su  velocidad.  En  complemento,  un  catalizador  se puede definir como una sustancia química que altera el mecanismo de reacción y la velocidad de la  misma.  Las  reacciones  catalíticas  en  general  pueden  ser  divididas  en  dos  grupos:  catálisis homogénea y catálisis heterogénea [28].  En catálisis homogénea tanto  los reactivos, como el catalizador se encuentran en  la misma  fase. Por el contrario, en catálisis heterogénea, el catalizador es insoluble en el sistema químico, y por lo general crea una nueva fase. Este último corresponde a la reacción que se presenta en la filtración 

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de  los gases de combustión. En  la catálisis heterogénea se hace necesaria  la  interacción química entre el catalizador y el sistema de  reactivos y productos. Esta  interacción se  lleva a cabo en  la superficie del catalizador por lo cual no debe modificar la naturaleza química del volumen. En este caso son las propiedades de adsorción las que rigen el mecanismo de interacción [28].   

6.2.3 Interacción entre el soporte y catalizador 

El contacto entre las partículas a reaccionar y el catalizador bajo condiciones de operación es uno de  los  parámetros  críticos  para  controlar  la  velocidad  de  reacción.  Este  contacto  depende principalmente de la superficie del catalizador y la dispersión de las partículas sobre el soporte.  El tipo de catalizador se puede dividir en dos grupos, en función de la interacción del soporte. Esto corresponde a  los catalizadores móviles y no móviles, que básicamente depende de  la existencia de una  fase  líquida del  catalizador,  como  se puede  ver  en  la  Figura 14.  Entre  los  catalizadores móviles  se encuentran  los  compuestos metálicos alcalinos,  como  se  verá más adelante. Para el caso  de  los  catalizadores  no  móviles  se  encuentran  los  metales  nobles  y  catalizadores  tipo Perovskita (catión +catión + O3)[1].  

  

Figura 14. Catalizador no móvil y móvil (fase líquida). Ejemplo con una partícula de hollín [6]  Dependiendo del tipo de soporte, se puede utilizar uno u otro tipo de catalizador. Por ejemplo, los catalizadores móviles  no  son  aptos  para  ser  aplicados  sobre  soportes  tipo monolito  ya  que  se generaría un  taponamiento de  los micro poros  (~ 10µm) del  filtro debido a  la  formación de una fase líquida. Por otro lado, en soportes tipo espumas cerámicas, los catalizadores móviles son los que han demostrado mejores resultados [1].  

6.2.4 Catalizadores empleados en filtros de material particulado (caso diesel) 

Los  catalizadores  empleados  para  la  combustión  del material  particulado  del  diesel  se  pueden dividir  en  dos  grupos: metales  nobles  y  óxidos metálicos.  De  igual  forma,  los  compuestos  de 

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metales alcalinos  también  son considerados en el panorama como una posible vía de oxidación [1].  Los metales nobles  (Pt, Pd, y Rh)  tienen como objetivo  iniciar  la oxidación de  los hidrocarburos presentes en la superficie del aglomerado. Esta combustión libera la energía suficiente para iniciar la  oxidación  de  las  otras  partículas  de  carbono  menos  reactivas.  Estos  metales  nobles  son incorporados en pequeñas cantidades a catalizadores basados en metales de transición, con el fin de mejorar su actividad a bajas temperaturas [1].   Las sales u óxidos de algunos metales como por ejemplo vanadio, cobre, molibdeno, manganeso, cobalto,  cromo,  hierro,  son  los  que  consiguen  oxidar  el  del  carbono  presente  en  el material particulado. Esto es porque son capaces de reducirse en la presencia de carbono, a su metal o a un oxido  en menor  estado. Un  claro  ejemplo  de  esto  corresponde  al  oxido  de  cobre,  que  bajo  la presencia de  carbono,  se  reduce entregando el oxigeno. Esto  se debe a que el  cobre  tiene una energía libre de oxidación menor que la del carbono. Otro ejemplo, el V2O5 tiene varios estados de oxidación, lo que le da la capacidad de oxidar al hollín [1].   Los  compuestos  metálicos  alcalinos,  solos  o  en  conjunto  con  metales  de  transición,  han demostrado ser activos en  la catálisis de  la combustión del hollín. Esto se debe a que  los átomos de metales alcalinos sobre superficies de carbono actúan como regiones para la absorción química de oxigeno, debilitando los enlaces C‐C. Además de esto, los compuestos de metales alcalinos con vanadatos forman eutécticos con puntos de fusión menor a los de los vanadatos puros, como es el caso de la adición de clorato de potasio y vanadatos de potasio o cobre. La función de los metales alcalinos es generar una fase líquida donde se propicie el contacto entre las superficie de carbón y los componentes activos para el proceso de oxidación [1].  

6.3 Sistemas de Filtración Comerciales 

Entre  los aportes para  la  reducción de gases y partículas  contaminantes,  se han  llevado a  cabo varios desarrollos  tecnológicos en cuanto a sistemas de  filtración cerámicos, que se presentan a continuación.  

6.3.1 Sistema PSA 

El primer sistema comercial desarrollado por Peugeot‐Citroën Société d’Automobiles denominado PSA system utiliza un filtro tipo monolito, como se puede ver en la Figura 15. Este sistema ha sido probado  en  más  de  500.000  vehículos  sin  mayores  problemas,  pero  presenta  ciertas complicaciones [1].   

30  

 Figura 15. Diagrama de el sistema PSA [4] 

 Este  sistema  requiere  la  utilización  de  un  aditivo  de  Cerio,  con  el  objetivo  de  reducir  la temperatura  de  ignición  del  hollín  de  550oC  –  600oC  a  450oC.  El  sistema  tiene  un  sensor  que cuando detecta una caída alta de presión (indicando un taponamiento del filtro), activa el sistema de regeneración. Este sistema aumenta la temperatura de los gases de combustión por medio de una post‐inyección de combustible en  la  fase de expansión del motor. Un aumento adicional de temperatura se produce en el convertidor catalítico que se encuentra antes del filtro de partículas. Esto  sucede por  la combustión de hidrocarburos  residuales dejados por  la post‐inyección  [1][4]. Dicho aumento en  la  temperatura de  los gases  lo que permite es una oxidación del hollín en el momento que este entra en contacto con el filtro.   Los inconvenientes con este sistema son varios [1][4]:  

• Los óxidos de Cerio  (CeO2) derivados del aditivo, permanecen en el  filtro,  lo cual  implica una limpieza periódica. 

• Es un sistema complejo en donde se requieren varios insumos e instrumentos adicionales como sensores, tanque de aditivos, aditivos, convertidor catalítico, entre otros. Esto hace que los costos de inversión, operación y mantenimiento aumenten.  

 

6.3.2 Sistema CRT (Trampa de regeneración continua) 

Otro  de  los  sistemas  comerciales  corresponde  al  desarrollado  por  Johnson  Matthey  que  se denomina CRT  (Continuously Regenerating Trap). Este es un  sistema  con  regeneración  continua que tiene en cuenta las propiedades de oxidación de NO2 con respecto al carbono encontrado en 

31  

el hollín. Como se puede observar en la Figura 16, el sistema cuenta con un catalizador el cual se encarga de oxidar el ~90% de los HC y CO presentes en los gases de combustión. Una vez oxidados estos gases, pasan a la segunda etapa que corresponde a un filtro tipo monolito (sin catalizador) el cual  retiene  las  partículas  de  hollín.  Estas  partículas  reaccionan  a  su  vez  con  el NO2  producido previamente, oxidándolas y convirtiéndolas en CO2 y liberando NO al ambiente [1].  

  

Figura 16. Sistema de filtración de regeneración continuo CRT por Johnson Matthey [16]  Este sistema no requiere un proceso de regeneración ya que a  la temperatura de  la salida de  los gases  se  logra  llevar  a  cabo  el  proceso  catalítico    de  oxidación  del  carbono  en  el  hollín.  Este sistema ha  sido  instalado  en  aproximadamente 600.000  vehículos  con  resultados  favorables.  El principal  inconveniente  es  la  concentración  de  azufre  máxima  permitido  para  evitar  la desactivación del catalizador. Este valor debe ser inferior a 50 ppm, un valor que ya se ha logrado alcanzar en países desarrollados [1].   Es conveniente notar que  los dos sistemas comerciales presentados utilizan filtros tipo monolito, los  cuales  no  son  catalíticamente  activos.  La  reacción  de  conversión  se  produce  en  un  pre‐catalizador instalado en una etapa anterior al filtro de partículas [10].  

6.4 Caracterización de sistemas de filtraje 

En la evaluación de los sistemas de filtraje, no solo se debe considerar el desempeño químico del filtro,  sino  también  su  desempeño mecánico.  En  esta  sección  se  presentaran  los  parámetros  a evaluar con el fin de medir dicho desempeño, así como el montaje experimental requerido para tal fin.  

6.4.1 Parámetros a caracterizar 

Los  parámetros  a  caracterizar  se  pueden  dividir  en  tres  secciones  como  se  presenta  a continuación.   

• Caracterización del catalizador en forma de sales o Ensayos de actividad 

32  

o Ensayos de estabilidad del catalizador en polvo frente a desactivadores o Regeneración del catalizador en polvo o Ensayos de FTIR (espectroscopia infrarrojo con transformada de Fourier) 

• Caracterización del soporte cerámico o Resistencia mecánica o Permeabilidad sin catalizador o Porosidad o Estabilidad dimensional 

• Caracterización del soporte impregnado con el catalizador (filtro cerámico) o Distribución del catalizador sobre el soporte o Permeabilidad con catalizador o Determinación de caída de presión o Determinación de temperatura de autoregeneración 

 

6.4.1.1 Caracterización del catalizador en forma de sales 

a) Ensayos de actividad:  Los ensayos de actividad permiten determinar que  tan  reactivo es el  catalizador a determinada temperatura. Para esto, se utiliza por  lo general pruebas de reacción a temperatura programada (TPR). Por ejemplo, para determinar que tan reactivo es el catalizador para oxidar el carbono, se hace una prueba de  TPR  en donde  se  evalúa  la  capacidad de  oxidación del  catalizador. A  esta prueba  se  le  conoce  como  oxidación  a  temperatura  programada  (TPO).  Este  ensayo  permite generar graficas como la presentada en la Figura 17. [5] 

 

 Figura 17. Ejemplo de ensayo de TPO [5] 

 En este tipo de ensayos se puede comparar la reactividad de diferentes catalizadores a diferentes temperaturas midiendo  la concentración de sistemas  reaccionados en este caso,  la medición de cantidad de CO2 generado. [5]    

33  

b) Ensayos de estabilidad del catalizador en forma de sales frente a desactivadores:  La  desactivación  catalítica  es  un  gran  problema,  sobre  todo  en  catalizadores  para  gases  de combustión.  La  desactivación  catalítica  se  entiende  como  una  disminución  drástica  de  la reactividad del catalizador, hasta perder por completo su funcionalidad. La estabilidad catalítica se mide a  través de ensayos de TPR,  como  los que  se presentaron anteriormente en  la Figura 17, pero  sometidos a una contaminación con el material desactivador. Para el caso de  los gases de combustión de motores diesel, uno de  los principales desactivadores corresponde al SO2. Por  lo tanto para medir  la estabilidad del catalizador a este compuesto, se somete el catalizador a una corriente gaseosa conteniendo un nivel elevado de SO2 (1000 ppm), y luego se generan curvas tipo TPO. [29]  

c) Regeneración del catalizador en polvo:  Una vez desactivado el catalizador, existen algunos métodos de reactivarlos. Este es devolverle en algún porcentaje su capacidad reactiva. Para analizar este efecto se utiliza  igualmente un ensayo de TPR. Primero se somete el catalizador a un flujo de gas reactivo y  luego se generan curvas de TPR para ver el efecto. Para el caso de los catalizadores desactivados por SO2, uno de los métodos de reactivación corresponde hacer fluir 5% H2 en Ar a través del catalizador el cual se encuentra en estado de calentamiento a una taza de 10oC/min. [29]  

d) Ensayos de FTIR (espectroscopia infrarrojo con transformada de Fourier):  Los espectros infrarrojos de los sistemas permiten caracterizar comparativamente el catalizador y la  influencia  que  tiene  la  regeneración  o  el  envenenamiento  del  mismo,  de  una  manera cuantificable.[29]  

6.4.1.2 Caracterización del soporte cerámico (tipo espuma) 

 a) Propiedades Mecánicas 

 Para determinar  la resistencia mecánica de  los soportes cerámicos se  llevan a cabo pruebas de  compresión. Con  el  fin de  asegurar una distribución uniforme de  la  carga,  los  soportes deben  ser previamente preparados.  Se puede utilizar masilla epóxica en  la parte  inferior  y superior de las muestras, aplanándolas y dejándolas secar hasta endurecer. Para asegurar un alineamiento de la muestra con la carga aplicada, se puede utilizar un montaje con una bola de acero entre la superficie superior de la espuma cerámica y la aplicación de la carga como se puede ver en  la Figura 18. La prueba de compresión debe  realizarse a bajas velocidades cercanas a 0.5 mm/min según lo descrito por Brenzy [30].  

34  

 

Carga 

Bola de acero 

Masilla epoxica 

Soporte cerámico 

 Figura 18: Montaje para medición de resistencia mecánica 

 b) Permeabilidad 

 En  los materiales celulares  la permeabilidad se considera una de  los parámetros principales en  la evaluación de  las propiedades de  filtración, una de  las propiedades principales de  los  soportes para  catalizador  [31].  Por  esta  razón,  es  necesaria  la  caracterización  de  este  parámetro.  La permeabilidad  de  un  fluido  cuando  atraviesa  un medio  poroso  es  usualmente  cuantificada  por medio de la ecuación de Forchheimer, la cual se presenta a continuación:  Ecuación 1      

 Donde ΔP  corresponde  a  la  caída de presión,  L es el espesor del medio,  ρ  y  μ  corresponden  a propiedades del  fluido  como densidad  y  la  viscosidad  respectivamente,  y  ν  corresponde a  flujo volumétrico por unidad de área seccional. Adicionalmente k1 y k2 se conocen como los parámetros Darcyan y No‐Darcyan  respectivamente  [31]. El primer  término de  la Ecuación 1 es atribuido al flujo laminar, mientras que el segundo término corresponde a flujo turbulento. Por lo general para mediciones  experimentales,  solo  consideramos  flujo  laminar  ya  que  el  número  de  Reynolds  es inferior a 2000 [32].   

6.4.1.3 Caracterización del soporte impregnado con el catalizador (filtro cerámico) 

a) Distribución del catalizador sobre el soporte  Una vez impregnado el catalizador y activado sobre el soporte cerámico, es importante verificar su distribución.  Una  distribución  uniforme  y  homogénea  sobre  el  soporte  asegura  una  mayor probabilidad de  contacto  entre el material particulado  y el  catalizador.  La  verificación de dicha distribución  se  puede  llevar  a  cabo  por  análisis  de  imagen  y  difracción  de  rayos  X,  generando análisis estadístico de distintas secciones del soporte cerámico.   

35  

b) Permeabilidad con catalizador  Determinar  la permeabilidad del soporte cerámico después de  la  impregnación catalítica permite determinar  la  influencia  que  tiene  este  proceso  en  este  parámetro  de  filtración.  La medición experimental es la misma que la medición determinada para el soporte cerámico sin catalizar.  

c) Determinación del punto de balance del filtro  El  punto  de  balance  corresponde  a  un  estado  del  filtro  en  el  cual  existe  un  equilibrio  entre  el material particulado generado por el motor y el material particulado que logra ser quemado por el filtro. Este punto de balance se hace evidente observando una estabilización en la caída de presión inducida  por  el  taponamiento  paulatino  del  filtro,  como  se  puede  ver  en  la  Figura  19a.  Por  el contrario, las curvas b y c de esta figura muestran un aumento continuo en los valores de caída de presión, lo que implica un continuo taponamiento del filtro. La propiedad de autoregeneración de filtros catalíticos para material particulado está ligado al punto de balance. Como se mencionó con anterioridad, los filtros con propiedad de autoregeneración no requieren un mecanismo adicional para generar la oxidación del material particulado. [4]  

 Figura 19. Ejemplo de prueba de caída de presión [4] 

 El punto de balance  se define con  la  temperatura a  la cual  se consigue una estabilización en  la caída de presión y el ΔP de estabilización. Estas dos variables a su vez dependen principalmente del catalizador utilizado y la morfología del filtro cerámico. Para la determinación experimental de este punto, es necesario el montaje de un banco experimental, el cual se explicará más adelante.       

36  

d) Medición de la eficiencia del filtro  La  eficiencia  de un  filtro  de material  particulado  se determina  experimentalmente midiendo  la cantidad de material particulado presente después del  filtro  respecto a  la  cantidad de material particulado  antes  del  filtro.  Para  esto  se  debe  implementar  un  banco  de  pruebas  que  permita tomar una medición del material particulado antes y después del filtro catalítico en tiempo real. En el mejor de casos esto se debe hacer de forma continua durante toda la ejecución de la prueba.  

6.4.2 Diseño de un banco de pruebas 

Para poder  llevar a  cabo una parte de  la  caracterización de  los  filtros  cerámicos  (determinar el punto de balance del filtro y medir su eficiencia), se requiere el montaje de un banco de pruebas experimental en donde se evalúe el desempeño de  los filtros bajo condiciones simuladas de uso. Este montaje debe permitir la recolección de los siguientes datos en tiempo real [5]:  

• Condiciones de operación de la fuente de generación de material particulado 

• Recolección de muestra de material particulado antes y después del  sistema de  filtraje, para un análisis posterior (o in situ) de cantidad y tamaño de partícula.  

• Medición de la caída de presión generada por el taponamiento del filtro. Para esto se debe medir la presión antes y después del filtro.  

• Temperatura del filtro 

• Temperatura de las salida de los gases  

• Velocidad  superficial  del  gas  de  combustión  por  medio  de  la  medición  de  flujo volumétrico.  

Un esquema de un banco de pruebas que  satisface  las necesidades descritas  anteriormente  se puede ver en la Figura 20.  

37  

SISTEMA DE MUESTREO DE PARTICULAS  

SALIDA  

REACTOR  Medición de presión 

Filtro Termocuplas 

Sello Vermiculita 

Medición de presión      

Conexión antivibración 

SISTEMA DE MUESTREO DE PARTICULAS  

BY‐PASS  MOTOR 

Válvula  de  control de flujo  

DIESEL 

 Figura 20. Ejemplo de banco de pruebas para la caracterización de filtros de material particulado. Imagen 

modificada [5]  Este  esquema  presenta  un  banco  de  pruebas  donde  la  fuente  de  generación  de  material particulado corresponde directamente a un motor diesel. En otros casos, se puede utilizar otros sistemas para  generar material particulado que  simulen el  generado por  los motores diesel  [8] [33]. Este diseño  incluye  la  instrumentación necesaria para  la  recolección de  los datos descritos anteriormente. [5] 

38  

 

7 Metodología Para  la obtención de filtros de material particulado y gases contaminantes, el proyecto se divide en  tres  etapas,  de  las  cuales  dos  hacen  parte  de  los  objetivos  específicos  de  este  trabajo. Un esquema ilustrativo de las etapas se puede ver en la    

            

Figura 21.  Las etapas desarrolladas en este proyecto corresponden a  la etapa 1 y 3.  La etapa 2 hace  parte  de  un  proyecto  desarrollado  en  la  Universidad  Nacional  de  Colombia  por  el departamento de Ingeniería Química.  

    

               

Objetivo 3 

Objetivo 2 

Objetivo 4 

Objetivo 1 

Figura 21. Etapas del proyecto para la obtención de filtros de material particulado 

39  

7.1 Diseño Experimental Etapa 1: Fabricación del soporte cerámico 

La primera etapa del proyecto corresponde a  la  fabricación de estructuras cerámicas aptas para ser utilizadas como soportes de catalizador. La fabricación de estas estructuras sigue el proceso de réplica descrito en el capítulo 6.1.3, con algunas modificaciones basadas en el material cerámico utilizado.   En este capítulo se describen las materias primas utilizadas en la fabricación del soporte cerámico, los equipos utilizados y el diseño experimental donde se  incluyen  tanto  las variables de entrada como  las variables de salida y el procedimiento experimental. El diseño presentado se divide en dos partes correspondientes a un diseño de aproximación  (screening) donde se evalúan algunos parámetros  del  proceso  y  un  diseño  de  optimización  donde  se  sigue  un  procedimiento  para obtener filtros con las propiedades más adecuadas para la aplicación especifica del proyecto. Por último  se  describe  la  fabricación  de  los  filtros  finales  para  ser  utilizados  en  la  etapa  de impregnación catalítica y en las pruebas de filtración de material particulado.  

7.1.1 Materias primas 

Para la fabricación de estructuras celulares cerámicas por el método de réplica se utilizarán varias materias primas correspondientes a la clasificación mencionada en el capítulo 6.1.3.  Las materias primas serán caracterizadas según lo establecido en la Tabla 2.   

Tabla 2. Tabla de caracterización de materias primas de etapa 1   Caracterización  Equipo  Procedimiento  Laboratório 

 Morfología 

 SEM 

Macroestructura Forma 

UFSC 

Cerámico 

Granulometría Dispersión de 

Rayos X Distribución del tamaño de partícula 

Uniandes Ing. Amb 

Ligante 

  

Humedad   

Balanza con calentamiento Precisa XM60 

Determinación de la humedad relativa Uniandes Ing. Quim. 

Estereoscopio 

 Macroestructura Determinación de defectos a nivel macro Determinación de los poros por pulgada 

Uniandes Ing. Mec 

Morfología 

SEM 

 Microestructura Determinación de defectos a nivel micro  

U. Nacional 

Espu

ma Po

limérica 

Permeabilidad  Amscor Air Flow  Determinación de permeabilidad por medio  Uniandes 

40  

de medición de flujo de aire  (ASTM D3574‐5)  

Ing. Quim  

TGA  TA Q5000IR  Análisis termogravimétrico  FOAMEX 

  El material utilizado en la fabricación de la suspensión cerámica y los porcentajes asociados a cada uno de ellos se muestra en la Tabla 3. La determinación de los porcentajes de fase líquida y sólida corresponde a parte del diseño experimental que se presentará más adelante.       

Tabla 3. Formulación para la preparación de la suspensión cerámica[22] Fase  Material  Porcentaje en Peso 

Vitrocerámico LZSA  95 wt% Fase sólida (wt% variable)  Bentonita  5 wt% 

Silicato de sodio (NaSiO3)  1 wt% Fase Líquida (wt% variable)  Alcohol‐Isopropílico (isopropanol)  99 wt% 

 

7.1.1.1 Material Cerámico (sistema LZSA) 

El material cerámico a utilizar corresponde a polvo vitrocerámico del sistema LZSA (Li2O – ZrO2 – SiO2 – Al2O3), el cual fue desarrollado por Klegues [34] en la Universidad Federal de Santa Catarina UFSC,  Brasil.  El  desarrollo  de  este  material  forma  parte  de  un  estudio  en  aplicaciones  de recubrimientos  de  azulejos  con  bajo  coeficiente  de  expansión  térmica.  La  obtención  de  este material, como sus propiedades mecánicas y físicas son explicadas en detalle en otras referencias [34] [35]. La composición química del material cerámico se puede ver en la Tabla 4. 

 Tabla 4. Composición química del vitrocerámico LZSA en wt% [35] 

SiO2 Al2O3 ZrO2 Li2O  K2O  Na2O  TiO2 Fe2O3 CaO  MnO  MgO  P2O5

59.4  13.6  15.6  8.6  0.3  0.7  0.1  0.2  0.6  …  0.02  0.82 

 El material vitrocerámico fue recibido en forma de fritas (partículas de vidrio) con un tamaño de partícula del orden del  algunos milímetros.  Se debe  llevar  a  cabo un proceso de  reducción del material vítreo con el  fin de obtener un  tamaño de partícula apto para generar una  suspensión estable.  Según  estudios  previos  [21],  se  puede  alcanzar  un  tamaño  apto  de  particula  para  la elaboración de  la  suspensión  siguiendo  la metodología planteada en el diagrama de  flujo de  la Figura 22.  

 

41  

 Figura 22. Diagrama de flujo del proceso de reducción de tamaño de partícula del LZSA 

 Según lo establecido en la Tabla 2 se procedió a caracterizar el material vítreo. La forma del polvo vítreo se puede ver en la Figura 23. De igual forma se determinó la granulometría del material por medio de dispersión de rayos X. La curva de distribución monomodal del tamaño de partícula se puede ver en la Figura 24, donde se identifica el diámetro medio (d50) en 4.26 μm. De igual forma se puede observar que el 90% del material particulado (d90) tiene un diámetro inferior a 10.46 μm.    

Frita LZSA

Molienda en secoMolino Planetario 

15 minutos 

Tamizaje 212 μm 

INICIO

Paso tamiz?

Molienda húmedaMolino de bolas 

72 horas 

Secado 48 horas a 80oC 

Tamizaje 212 µmDesaglomeración 

Pasó tamiz?

NO 

SI 

NO  

SI 

FIN

42  

 Figura 23. Morfología del polvo vítreo después del proceso de molienda[35]. 

 

 Figura 24. Distribución del tamaño de partícula LZSA (Cilas 1064 Liquid) 

 

7.1.1.2 Aditivos 

Para  la  elaboración  de  la  suspensión  vítrea  se  utilizaron  dos  aditivos  correspondientes  al dispersarte y al ligante, los cuales se describen a continuación  o Dispersarte 

 Como  se explicó con anterioridad, el objetivo del dispersante es ayudar a mantener el material particulado distribuido  en  el medio  fluido.  Para  esto  se utilizó  silicato de  sodio NaSiO3  (Merck, Natronwasserglas  105621,  7.5–8.5%Na2O,  25.5–28.5%SiO2)  correspondiente  a  un  dispersante inorgánico. Este es capaz de emulsificar las grasas y precipitar los cationes altamente cargados en las soluciones [20]. Su implementación se debe a trabajos previamente realizados en el área [35].  

43  

o Ligante:  Como  ligante  se  utilizó  bentonita  correspondiente  a  un  ligante  tipo  arcilla  coloidal  según  la clasificación de  la  Figura 9.  La utilización de  este  ligante  y  el porcentaje  en  la  suspensión hace parte de un estudio previo [21]. Para el diseño de aproximación de este proyecto se utilizaron dos tipos de bentonitas. Una bentonita tipo A adquirida en Quimicos Campota, Colombia fabricada en Argentina y una bentonita tipo B proveniente del Brasil suplida por Colorminas, Brasil. Esta ultima corresponde a la utilizada en investigaciones previas [22] [21] [35] dando resultados favorables. Se escogió intentar trabajar con bentonita de consecución nacional por la facilidad de adquisición.   La bentonita  tiene propiedades higroscópicas por  lo que es necesario considerar un ajuste en  la cantidad de material utilizado en  la  formulación de  la suspensión. El porcentaje de humedad en peso (wt%) que contiene cada unas de las bentonitas corresponde a 11.49% para la bentonita A y 11.52% para la bentonita B.   

7.1.1.3 Fase líquida 

En trabajos previos se investigaron las propiedades reológicas de suspensiones de LZSA basadas en agua y en  isopropanol  [21]. Los  resultados encontrados mostraron que  la  fase  líquida afecta de manera significativa  las propiedades mecánicas de  las estructuras vitrocerámicas dando mejores resultados de resistencia mecánica. Por este motivo se procedió a trabajar con una fase líquida de isopropanol al 99% (alcohol isopropílico) el cual fue adquirido en RodaQuímicos, Bogotá.  

7.1.1.4 Sustrato polimérico 

Para el  sustrato polimérico  se utilizaron espumas de poliuretano de celda abierta  con diferente tamaño de poro. El proveedor de estas espumas corresponde a una empresa Americana  llamada Stephenson & Lawyer distribuidores de la empresa Foamex, encargada de fabricar estas espumas. Las  dos  referencias  de  espumas  utilizadas  en  este  proyecto  junto  con  algunas  propiedades relevantes se pueden encontrar en la Tabla 5.  

Tabla 5. Propiedad de espumas de poliuretano usadas en el proyecto 

Espuma Poros Por Pulgada PPI Nominal* 

Área superficial* [ft2/ft3] 

Diámetro de celda promedio* [x102 μm] 

Permeabilidad Darcyan (k1) ** 

[x10‐9 m2] SIF45Z  45  8x102 3.9x102 5.5 SIF60Z  60  12.5x102 2.7x102 3.6 

* Datos del fabricante FOAMEX **ASTM D3574‐5 con cambio de escala 

 La permeabilidad Darcyan k1 se determinó utilizando  la Ecuación 2 con muestras de (5 x 5 x 2.5) cm  (ancho x  largo x profundidad). ∆P corresponde a  la caída de presión  [Pa], L el espesor de  la 

44  

muestra [m], μ la viscosidad del fluido [Pa s] que en este caso es aire, y V el flujo volumétrico por unidad de área transversal [m/s].   

Ecuación 2    

 Se  tomaron  mediciones  de  flujo  de  aire  Q  en  [pies3/min]  sobre  cada  muestra  de  espuma (utilizando  el  equipo  Amscor  Air  Flow  Apparatus).  Los  parámetros  de  permeabilidad  fueron calculados utilizando  la ecuación de Forchheimer. En  la ecuación 3, ρ corresponde a  la densidad del aire [kg/m3] y V [m/s] el flujo volumétrico por unidad de sección transversal (flujo Q dividido por  el  área  de  sección  transversal  A).  Los  parámetros  k1  [m

2]  y  k2  [m]  corresponden  a  los parámetros de permeabilidad Darcyan y no‐Darcyan respectivamente [31]. El primer término de la ecuación  3  es  atribuido  al  flujo  laminar, mientras  que  el  segundo  término  corresponde  a  flujo turbulento. En este caso solo se considera flujo laminar ya que el número de Reynolds es inferior a 2000 para las mediciones experimentales [32].  

ecuación 3   

 Se realizó un análisis termogravimétrico sobre  las espumas utilizadas obteniendo  las curvas de  la Figura 25. En estas curvas se puede ver que la descomposición de dichas espumas se lleva a cabo en dos ciclos. El primero que se completa a 295oC con una perdida de aproximadamente el 35% en peso  y  el  segundo  ciclo  se  completa  a  435oC  descomponiendo  el  resto  de  la  espuma.  Las temperaturas  de  descomposición  son  similares  para  ambos  tipos  de  espuma.  Estos  datos termogravimétricos  son  los  que  permiten  más  adelante  determinar  la  temperatura  de descomposición del material orgánico en el ciclo térmico. Estas pruebas se  llevaron a cabo en un equipo TA Q5000IR con una purga de N2 a 10 ml/min y una rampa de calentamiento de 20 oC/min hasta 550oC.   

45  

 Figura 25. TGA y DTG de las espumas de poliuretano. (línea continua 60 ppi y línea punteada 45 ppi) 

 

7.1.2 Descripción de equipos y montajes 

Los equipos y los parámetros de operación para la etapa de fabricación de la espuma cerámica se definen en la Tabla 6.   

Tabla 6. Equipos y parámetros de operación para la etapa 1 Equipo  Referencia  Operación 

Balanza  Ohaus Sout pro 600 • Utilizada  para  pesar  los  componentes  de  la  suspensión 

cerámica. • Resolución: 0.01 gr 

Molino de bolas 

planetario Gabbrielli Mill 2B 

• Utilizada en la mezcla de la suspensión cerámica. • Parámetros de operación 

o Recipiente: 300 ml o Número de bolas: 16 o Tiempo de mezcla: 5 min 

Placas paralelas 

Construcción 

• Utilizada  en  la  extracción  de  suspensión  en  exceso dentro de la espuma en la etapa de impregnación 

• Parámetros de operación o Compresión: Variable (70%, 35%,) 

Calandra  Brabender 

• Utilizada  en  la  extracción  de  suspensión  en  exceso dentro de la espuma en la etapa de impregnación 

• Parámetro de operación o Distancia  entre  rodillos  variable  (70%,  60%, 

50%, 35%) o Velocidad de los rodillos: 10 rpm 

Mufla  Abarephor 1200  • Ciclo térmico explicado más adelante 

 

46  

7.1.2.1 Mufla Abarephor 1200 

La  mufla  utilizada  consta  de  un  control  de  temperatura  capaz  de  manejar  las  rampas  de calentamiento requeridas a temperaturas inferiores a los 1100oC. Es importante considerar que las resistencias  de  calentamiento  se  encuentran  expuestas  a  la  cámara  interna  como  se  puede observar en  la Figura 26. El  control de  temperatura de  forma original  funciona a  través de una termocupla instalada en el fondo de la cámara interna.   Con el fin de verificar el control térmico, se programó un ciclo que fue comparado con el registro de la temperatura utilizando una segunda termocupla (calibrada de fábrica) como se observa en la Figura 27. La figura permite evidenciar un problema de sensibilidad en la termocupla pre‐instalada pues es posible asumir el registro rojo solido como  la temperatura real a  la que estaría sometida una pieza dentro de la cámara. Un análisis detallado de los resultados permite inferir dos causas. El primero corresponde a un desfase de ~50oC entre  la  temperatura promedio y  la  temperatura programada  y  otro  a  una  variación  de  ±15oC  en  las  regiones  de  estabilización.  Analizando  las oscilaciones y el comportamiento de la mufla durante el ciclo de evidenció que la frecuencia de los picos  y  valles  de  temperatura  se  encuentra  en  fase  con  el  encendido  y  el  apagado  de  las resistencias en  los procedimientos de  control. Otra hipótesis  corresponde a  la baja  sensibilidad que  tiene  la  termocupla  pre‐instalada  frente  a  los  verdaderos  cambios  de  temperatura,  que seguramente responde a la proximidad con las paredes y la inercia térmica que estas poseen.  Para dar solución a los dos problemas presentes se fabricó una cámara interna en lámina de acero inoxidable de 1/16”. La  temperatura  interna de esta cámara  fue controlada por una  termocupla conectada directamente al controlador y al dispositivo de adquisición de datos distinta a  la pre‐instalada en  la mufla con  la función de censar  la temperatura al  interior de  la cámara. Se  llevó a cabo una prueba con el mismo ciclo térmico programado con anterioridad, dando como resultado en  este  caso  la  línea  verde punteada  como  se  en  la  Figura 27.  Los  resultados demuestran que tanto  el  desfase  como  la  oscilación  mejoraron  acercándose  a  la  curva  programada  con  una diferencia  máxima  de  ‐10oC  y  una  variación  inferior  a  ±1oC.  Este  dispositivo  aumenta  la confiabilidad  y  valida  el  ciclo  de  temperatura  con  una  diferencia mínima  entre  la  temperatura programada y la temperatura real.   

 

47  

 

Resistencias de calentamiento 

Termocupla original  de la mufla Cámara interna de acero 

inoxidable 

Entrada de la nueva termocupla de control 

Figura 26. Disposición de mufla Abarephor 1200 con cámara de control fabricada   

 Figura 27. Control del ciclo térmico en mufla Abarephor 1200 

 

7.1.2.2 Placas paralelas 

Uno de los métodos para remover la suspensión en exceso de las espumas después del proceso de impregnación es el método de placas paralelas. Este método  consiste en  tomar dos placas  con perforaciones para permitir el  flujo de material,  y  comprimir  la espuma de manera  controlada. Esta compresión se lleva a cabo acercando cada una de las placas hasta tener un gap determinado. El esquema de la Figura 28 permite tener una mejor idea del mecanismo utilizado.   

48  

Placas paralelas  

Porcentaje de compresión 

Material en exceso 

 Figura 28. Extracción de suspensión en exceso por el método de placas paralelas 

 

7.1.2.3 Calandra 

El  calandrado  es  otro método  utilizado  para  remover  la  suspensión  en  exceso  de  las  espumas después del proceso de  impregnación. Este método se basa en hacer pasar  las espumas a través de un juego de rodillos con un espaciamiento calibrado. Ese espaciamiento corresponde a una de las variables de análisis del proyecto.   

Porcentaje de compresión 

 Figura 29. Extracción de suspensión en exceso por el método de calandra 

 

7.1.3 Diseño de aproximación 

Ensayos preliminares utilizando parámetros previamente establecidos a  través de estudios en el área  [22]  demostraron  un  problema  correspondiente  a  estabilidad  dimensional  y  a  los macro defectos  generados  por  el mecanismo  de  sinterización.  El  diseño  experimental  propuesto  para este  proyecto  cuenta  con  un  diseño  de  aproximación  (screening)  con  el  cual  se  fijan  algunas variables sobre el proceso.   

7.1.3.1 Descripción de factores (variables) 

En  esta  sección  se  presenta  una  descripción  de  las  variables  de  entrada  junto  con  los  niveles definidos para cada uno de ellos.   

49  

• Porcentaje de compresión: Esta  variable  interviene  en  el  proceso  de  réplica  en  la  etapa  de  extracción  de material  en exceso después de  la  impregnación. El porcentaje de compresión se refiere a  la distancia de contracción de  la espuma  cuando  esta  se  comprime.  Esto  se puede  ver  gráficamente en  la Figura 28 y Figura 29.  

 

• Orientación del secado y sinterizado: Esta  variable  evalúa  el  efecto  que  tiene  la  orientación  del  secado  y  el  sinterizado  sobre  la estabilidad dimensional de la estructura final. Para esto se plantearon 4 niveles descritos en la Tabla 7.  

  

Tabla 7. Prueba de orientación en el secado y sinterizado Nivel  Secado  Sinterizado 

 Normal 

 

   

 Invertido 

 

   

 Diagonal 

 

   

 Transversal 

 

   

  

• Método de remoción de material: Esta variable corresponde al tipo de proceso utilizado para la remoción de material en exceso en la etapa de impregnación. La remoción se lleva a cabo controlando en nivel de compresión de  la espuma. Inicialmente se tenía planeado  llevar a cabo este control utilizando un sistema de placas paralelas, pero por  su baja efectividad,  se decidió estudiar el efecto que  tiene un sistema  de  calandrado  sobre  la  espuma  vitrocerámico  final.  Los  dos  equipos  utilizados  se describieron en una sección anterior (capitulo 7.1.2) 

 

• Ligante: Se  pretende  evaluar  el  efecto  que  tiene  el  tipo  de  bentonita  en  la  espuma  vitrocerámica resultante. Los dos niveles para esta variable corresponden a la bentonita tipo A la bentonita tipo B. La cantidad de bentonita en la formulación no corresponde a la variable del proceso.    

50  

• Condición de forma: Esta variable tiene como fin determinar el efecto que tiene  la geometría  inicial de  la espuma polimérica antes de la sinterización. La hipótesis planteada con respecto a esta variable indica un  efecto  de  la  forma  inicial  de  la  espuma  polimérica  sobre  la  retención  de  forma  de  la espuma  vitrocerámica.  Para  corroborar  esta  hipótesis  se  han  dispuesto  4  tipos  de  formas iníciales correspondientes a: 

o Prisma de aproximadamente 5.0 x 5.0 x 2.5 cm o Prisma de aproximadamente 2.5 x 2.5 x 2.5 cm o Trapecio  invertido  cuya  cara  inferior  es  de  aproximadamente  3.6  x  3.6  cm  y  cara 

superior de 5.0 x 5.0 cm. o Contracción forzada corresponde a una espuma original de 5.0 x 5.0 x 2.5 cm donde 

mecánicamente se genera una retracción hasta quedar de 4.2 x 4.2 x 2.5 cm durante la etapa  de  secado  y manteniéndola  durante  la  etapa  de  sinterización.  La  Figura  30 muestra el mecanismo de contracción simétrica generado por las caras laterales de la espuma previamente impregnada. 

         

Figura 30. Mecanismo de contracción de espuma para el sinterizado  

• Temperatura de densificación: El estudio de esta variable tiene como fin determinar la mejor temperatura de densificación de la  espuma.  Para  poder  llegar  a  la  temperatura  de  densificación,  la  espuma  polimérica impregnada debe pasar por  la parte  inicial del  ciclo  térmico donde  se descompone  la parte orgánica. La  temperatura escogida para esta etapa  se basa en  la  información  resultante del TGA en  la Figura 25, donde se observa una descomposición  total de  las espumas polimérica alrededor  de  440oC.  La  primera  etapa  del  ciclo  térmico  así  como  las  temperaturas  de densificación se pueden ver en la Figura 31.   

 

51  

 Figura 31. Ciclo térmico y variable de temperatura de densificación 

 Un resumen de las variables de entrada y de los diferentes niveles para el diseño de aproximación se puede ver en la Tabla 8. Los espacios vacios en el esta tabla corresponden a niveles de variables que no fueron evaluados   

Tabla 8. Variables y niveles del diseño de aproximación 

Variables Porcentaje 

de compresión 

Orientación del secado y sinterizado 

Método de Remoción de material 

Ligante Condición de 

forma 

Temperatura de 

densificación 

35%  Normal Placas 

Paralelas Bentonita tipo A 

5.0x5.0  500 

70%  Invertido  Calandrado Bentonita tipo B 

2.5X2.5  600 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Diagonal  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Trapezoidal  650 Niveles 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Transversal  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Contracción forzada 

700 

 

7.1.3.2 Descripción de variables de salida 

Una vez fabricadas cada una de  las muestras se procede a una caracterización de  las mismas. En esta sección se describen las variables de salida de la etapa de aproximación. Un resumen de estas variables se puede ver en la Tabla 9.  

• Estabilidad dimensional: De acuerdo a la Tabla 9 la estabilidad dimensional de las muestras se evalúa de forma visual y se clasifica en tres categorías. Un ejemplo de cada una de estas categorías se puede ver en la Figura  32.  Esta  clasificación  se  realiza  inmediatamente después de  sacar  las  espumas de  la mufla y antes de ser manipuladas. 

52  

         l  e 

 

• RetracciónDurante elde  densificcasos  es  nvolumen dComo  se  tpara  evitardespreciar  

Figura  

• Nivel de reFue  necescomportamen el promPara deter0% corresp 

 

 

Colapso tota

Figura 32. Ejemplos de

 volumétrica:  ciclo térmico, después de la ación.  Dicha  densificación o homogénea  como  se mueespués del ciclo térmico se lrata de una estructura poro  la  filtración  de  agua  dentry corresponde a un error rec

33. Esquema de la geometría re

tención de forma: ario  determinar  un  paráiento de retracción volumétedio de los ángulos generadminar el nivel de retención donde a una ángulo de 0o y un

Figura 34. Medición del nive

Colapso parcial

 categorías: estabilidad dimens

quema del material orgánicogenera  una  contracción  vostra  en  la  Figura  33.  Por  eleva a cabo por el método dsa, esta  se envuelve en unao  de  la  espuma.  El  volumeurrente en todas las medicio

 sultante después de la densific

metro  de  retención  de  frica presente. Por tal motivoo en una vista lateral como se forma se fijaron  los  límitea retención del 100% corres

 

o

l de retención de forma de las 

Establ

ional 

, se lleva a cabo el proceso lumétrica  que  en  algunos sta  razón,  la medición  del e desplazamiento de agua.  película plástica  (vini pel) n  de  la  película  se  puede nes.  

ación de la espuma 

orma  debido  al  mismo  se decidió basar este nivel e muestra en la Figura 34. s donde una retención de ponde a un ángulo de 90o.  

70

muestras 

53 

• Resistencia mecánica: Para el diseño de aproximación se determinó una evaluación de la resistencia mecánica de las muestras por medio de inspección visual y clasificándolas en tres categorías como lo indica la Tabla 9. La definición de cada una las categorías es la siguiente. 

o Totalmente  manipulable:  Esta  corresponde  a  las  muestras  que  pueden  ser manipuladas para  la medición de  las otras  variables  sin  comprometer  su  integridad estructural. 

o Frágil: Muestras que deben ser manipuladas con cuidado para no afectar su integridad estructural ya que su resistencia mecánica es baja 

o No manipulables: Estas corresponden a muestras que definitivamente no pueden ser tocadas ya que un leve movimiento puede causar el colapso de la misma.  

 Un resumen de las variables de salida del diseño de aproximación se puede ver en la Tabla 9 junto con el método utilizado, tipo y niveles de respuesta.   

Tabla 9. Caracterización del soporte cerámico del diseño de aproximación. Variables de salida Variables de 

salida Definición  Método 

Nivel de respuesta 

Estabilidad dimensional 

Macrodefectos.  Inspección visual 1. Colapso Total 2. Colapso Parcial 3. Estable 

Retracción volumétrica 

Medición de la retracción volumétrica  

Inmersión en fluido  Valor de la retracción en % 

Nivel de retención de 

forma 

Medición del índice de forma en  la contracción volumétrica  

Análisis de imagen Valor de retención de forma en % 

Resistencia Mecánica  

Resistencia  en  verde o cristalizado 

Inspección visual 

1. Totalmente manipulable 

2. Frágil 3. No manipulable 

 

7.1.3.3 Procedimiento experimental 

Al  tratarse  de  un  diseño  de  aproximación,  el  procedimiento  experimental  se  llevó  a  cabo  para evaluar  el  efecto  que  tiene  cada  una  de  las  variables  definidas  previamente  de  forma independiente. El esquema ilustrativo de la Figura 35 nos muestra de forma detallada cada una de las etapas del método de  réplica,  ilustrando  adicionalmente  cuales de ellas  corresponden  a  las variables de análisis en el diseño de aproximación. Una explicación más rigurosa es encontrada en la Tabla 10 donde se describen  las diferentes pruebas para evaluar cada una de  las variables. En esta tabla cada una de las pruebas responde a una de las variables de análisis. Las demás variables se mantienen constantes en dicho caso, cuyo valor se encuentra definido en la tabla. Por ejemplo 

54  

en  la  prueba  1  la  variable  de  análisis  corresponde  al  porcentaje  de  compresión.  Las  demás variables son fijadas.         

 

Figura 35. Esquema ilustrativo del método de réplica indicando las etapas variables para el diseño de aproximación 

           

Suspensión cerámica Polvo Cerámico 

Aditivos 

Remoción de material en exceso 

Impregnación de la espuma de PU con la 

suspensión

Quema de material orgánico

Dispersante 

Ligante (tipo) 

Morfología 

Tamaño de muestra 

Secado

Densificación

Ciclo Térmico

Espuma de PU 

Prueba 5 

Prueba 4 Porcentaje de compresión  Prueba 1

Prueba 3Técnica

Prueba 2

LEYENDA

ETAPA VARIANTE 

Prueba 6ETAPA CONSTANTE 

55  

 Tabla 10. Procedimiento detallado del diseño de aproximación 

Prueba Porcentaje 

de compresión 

Orientación del secado y sinterizado 

Remoción de Material 

Ligante Condición de 

forma 

Temperatura de 

densificación 

1a 1b 

• 70% • 35% 

Normal  Placas  Tipo A  5.0 x 5.0 800oC 

 x 10 min 

2a  • Normal 

2b  • Invertido 2c  • Diagonal 2d 

70% 

• Transversal 

Placas  Tipo A  5.0 x 5.0 800oC 

 x 10 min 

3a 3b 

70%  Normal • Placas paralelas • Calandrado 

Tipo A  5.0 x 5.0 800oC  

x 10 min 

4a 4b 

70%  Normal  Calandra • Tipo A • Tipo B 

5.0 x 5.0 800oC  

x 10 min 

5a 5b 5c 5d 

70%  Normal  Calandra  Tipo B 

• 5.0x5.0 • 2.5x2.5 • Trapezoidal • Contracción forzada 

800oC  x 10 min 

6a 6b 6c 6d 

70%  Normal  Calandra  Tipo B  5.0 x 5.0 

• 500 • 600 • 650 • 700 

Nota 1: Los factores variantes corresponden a los niveles determinados en la Tabla 8 junto con su explicación adyacente Nota 2: Esta tabla fue completada a medida que se iban obteniendo los resultados. Acá se presenta completa en su totalidad 

 De las etapas no variables ilustradas en la Figura 35, se procede a definirlas y detallarlas para darle validez al procedimiento experimental.  

• Suspensión Cerámica:  

La suspensión cerámica utilizada corresponde a una suspensión de polvo vítreo del sistema LZSA siguiendo  la  composición  FL50  presentada  en  la  Tabla  11.  Como  se  puede  observar  esta suspensión contiene el 50 / 50 en wt% de fase sólida/líquida. La única variación en la suspensión corresponde a  la variación del tipo de bentonita, correspondiente a una de  las variables de este diseño experimental.   

Tabla 11. Formulación de la suspensión FL50 utilizada en el diseño de aproximación Fase  Material  Porcentaje en Peso 

Vitrocerámico LZSA  95 wt% Fase sólida (50 wt%)  Bentonita (A / B)  5 wt% 

Silicato de sodio (NaSiO3)  1 wt% Fase Líquida (50 wt%)  Alcohol‐Isopropílico (isopropanol)  99 wt% 

 La mezcla de cada uno de los componentes se llevó a cabo en el molino de bolas planetario con un tiempo de agitación de 5 minutos. Todos los componentes se cargaron simultáneamente.  

 

56  

 

• Morfología espuma polimérica:  

Todas  las  muestras  poliméricas  utilizadas  para  el  diseño  de  aproximación  corresponden  a  la espuma tipo SIF60Z (Tabla 5) de 60 ppi.  

 

• Impregnación de la espuma con la suspensión cerámica  

La  impregnación  de  la  espuma  con  la  suspensión  cerámica  se  llevó  a  cabo  por  el  proceso  de inmersión. Este proceso consiste en sumergir la espuma en su totalidad dentro de la suspensión y contraerla manualmente, una  vez  sumergida para  remover  todo el  aire  atrapado en  sus poros. Esto es para asegurar que  la suspensión penetre dentro de  la espuma y moje en su  totalidad  la estructura polimérica.  

• Ciclo térmico  El ciclo térmico aplicado corresponde a un ciclo de 2 etapas, donde la primera corresponde a una degradación del material polimérico de soporte a 450oC y la segunda etapa corresponde a la etapa de densificación y cristalización del material vitro a 800oC. La Figura 36 muestra el ciclo  térmico aplicado para este diseño exceptuando para la variable de temperatura de densificación que sigue el ciclo térmico descrito en la Figura 31.  

 Figura 36. Ciclo térmico aplicado en el diseño de aproximación 

  

57  

7.1.4 Diseño de optimización 

Una  vez  definidos  los  parámetros  que  fueron  evaluados  por  el  diseño  de  aproximación,  se procedió  a  definir  la metodología  para  el  diseño  de  optimización.  Este  diseño  lo  que  busca  es establecer  los  parámetros  de  fabricación  para  la  obtención  de  la  espuma  vitrocerámica  más adecuada para ser utilizada como filtro catalítico de gases de combustión de motores diesel.   

7.1.4.1 Descripción de factores (variables) 

En  esta  sección  se  presenta  una  descripción  de  las  variables  de  entrada  junto  con  los  niveles definidos  para  cada  uno  de  ellos.  Para  el  diseño  de  optimización,  solo  se  tiene  en  cuenta  tres variables correspondientes a  la densidad de poros en  la espuma polimérica,  la viscosidad de  las suspensiones vítreas que se modifica a través de la variación de la carga solida en la formulación y al porcentaje de compresión en la etapa de remoción de material en exceso.  

• Densidad de poros Esta variable  corresponde a  la densidad de  los poros en  las muestras poliméricas. Como  se especificó  en  el  capítulo  7.1.1.4  existen  dos  referencias  de  espumas  poliméricas  SIF60Z  y SIF45Z con densidad de poros de 60 ± 5 y 45 ± 5 poros por pulgada  (ppi)  respectivamente. Estas dos referencias son las utilizadas como variables en el diseño de optimización.  

 

• Formulación sólido / líquido Para el diseño de optimización, se varió la formulación de la suspensión vítrea en cuanto a los porcentajes de fase sólida y  líquida. Esta variación afecta de manera directa  la viscosidad de las suspensiones, ya que entre más carga sólida con respecto a carga líquida, mas viscosa es la suspensión. Los niveles para este  factor de análisis  corresponden a  tasas de  fase        solida  / líquida en porcentaje en peso de 50/50, 55/45 y 60/40. 

 

• Porcentaje de compresión Como se determinó en el diseño de aproximación, el porcentaje de compresión en la etapa de remoción de material en exceso corresponde a una de las variables de entrada en el diseño de optimización,  con  la diferencia que  se  incluyen mas niveles. Para  este diseño  se  analizaron compresiones de 35%, 50%, 60% y 70% con el método de calandrado únicamente. Este fue el método escogido como resultado del diseño de aproximación ya que genera una estabilidad dimensional más adecuada en comparación con el método de placas paralelas.  

 Un  resumen  de  los  factores  descritos  para  el  diseño  de  optimización  y  los  diferentes  niveles evaluados se pueden ver en la Tabla 12     

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Tabla 12. Variables y niveles del diseño de optimización 

Variables Densidad de poros 

(poros por pulgada ‐ ppi) Formulación sólido / líquido 

(wt%) Porcentaje de compresión (%) 

60  50 / 50  35 45  55 / 45  50 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  60 / 40  60 Niveles 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  70  

7.1.4.2 Descripción de variables de salida 

Una vez fabricadas cada una de  las muestras se procede a una caracterización de  las mismas. En esta sección se describen las variables de salida de la etapa de aproximación. Un resumen de estas variables se puede ver en la Tabla 13.  

• Permeabilidad  Siguiendo el mismo procedimiento descrito en el capitulo 7.1.1.4, se midió  la permeabilidad de  las  muestra  vitrocerámicas.  Para  esta  medición  fue  necesario  un  alistamiento  de  las muestras pues debido a  la  retracción  volumétrica estas no quedaron del  tamaño  requerido para  el  equipo  de medición.  Se  utilizó  cinta  de  teflón  para  sellar  las  caras  laterales  de  las muestras  y  plastilina  tipo  limpiatipos  para  rellenar  el  espacio  vacío  entre  las muestras  y  la cámara  de medición.  De  igual  forma  se  selló  todo  paso  de  aire  entre  los  vértices  de  las muestras y  la  cámara de medición  con  cinta de enmascarar. Esto  con el  fin de asegurar un único flujo de aire a través de la cara frontal y posterior de las muestras.  

 

• Nivel de retención de forma Para determinar el nivel de retención de forma se siguió el mismo procedimiento utilizado en el diseño de aproximación descrito en el capítulo 7.1.3.2.  

  

• Resistencia mecánica Se determinó la resistencia mecánica de las espumas vitrocerámicas por medio de pruebas de compresión. Las muestra fueron preparadas según lo descrito en el capitulo 6.4.1.2. La prueba de compresión se  llevó a cabo en un equipo de prueba uniaxial marca  Instron modelo 5586 con una velocidad de 0.5 mm/min según lo descrito por Brenzy [30]. 

 

• Porosidad Para determinar la porosidad de las muestras se utilizaron técnicas de análisis de imagen. Para esto se utilizó el programa ImageJ cuyo funcionamiento se describe en el apéndice 12.1. Para este procedimiento las muestras fueron previamente preparadas antes de tomar las imágenes digitales  ya  que  estas  deben  cumplir  con  dos  requisitos  complementarios.  Primero,  las imágenes deben corresponder a un único plano. Al tratarse de muestras porosas, una imagen deja ver varios planos a través de  las celdas abiertas. Segundo,  los poros deben contener un 

59  

material con un color de contraste con el fin de generar un análisis adecuado. Se consideran dos  requisitos  complementarios,  ya  que  el material  de  contraste  utilizado  para  rellenar  los poros hace que solo se logre visualizar un plano de la muestra.   Para  la  preparación  de  las muestras  se  utilizó  resina  de  poliéster  (marca  GARC  químicos referencia 809) con baja viscosidad y pigmento  rojo o negro. Cada muestra  fue  impregnada por  inmersión  completa  en  la  resina.  Una  vez  endurecida  la  resina,  la  cara  a  analizar  fue preparada siguiendo técnicas metalográficas.  

 Un  resumen de  las variables de  salida del diseño de aproximación  se puede ver en  la Tabla 13 junto con el método utilizado y el tipo y niveles de respuesta.   

Tabla 13. Caracterización del soporte cerámico del diseño de optimización. Variables de salida Variables de 

salida Definición  Método 

Nivel de respuesta 

Permeabilidad  Medición de flujo de aire Prueba de 

permeabilidad Valor de permeabilidad Darcyan k1 (m

2) Nivel de 

retención de forma 

Medición del índice de forma en  la contracción volumétrica  

Análisis de imagen Valor de retención de forma ( % ) 

Resistencia mecánica 

Resistencia de compresión  Prueba de compresión 

Valor de resistencia mecánica  (Pa) 

Porosidad   Nivel  de  porosidad  de  las muestras 

Análisis de imagen  Valor de porosidad ( % ) 

 

7.1.4.3 Procedimiento experimental 

Para el diseño de optimización el procedimiento experimental utilizado corresponde a un diseño factorial modificado. El esquema  ilustrativo de  la Figura 37 nos permite ver de  forma detallada cada  una  de  las  etapas  del método  de  réplica,  donde  se  ilustran  las  etapas  variantes  para  el proceso de optimización.  La Tabla 14 muestra de  forma detallada el procedimiento  seguido en este diseño donde se incluyen los factores y los niveles por cada una de las 16 pruebas diseñadas y el orden ejecución de las mismas.  

60  

Suspensión cerámica Polvo Cerámico 

 Figura 37: Esquema ilustrativo del método de réplica indicando las etapas variables para el diseño de 

optimización  

Tabla 14. Procedimiento detallado del diseño de optimización 

Num muestra 

Nombre muestra Orden de corrida 

Factor 1 Densidad de poros 

Factor 2 Formulación 

sólido/líquido (wt%) 

Factor 3 Porcentaje de compresión 

1  60FL5035  4  60ppi  50/50  35% 2  60FL5050  5  60ppi  50/50  50% 3  60FL5060  7  60ppi  50/50  60% 4  60FL5070  6  60ppi  50/50  70% 5  60FL4550  13  60ppi  55/45  50% 6  60FL4560  15  60ppi  55/45  60% 7  60FL4570  9  60ppi  55/45  70% 8  60FL4070  11  60ppi  60/40  70% 9  45FL5035  1  45ppi  50/50  35% 10  45FL5050  2  45ppi  50/50  50% 11  45FL5060  8  45ppi  50/50  60% 12  45FL5070  3  45ppi  50/50  70% 13  45FL4550  14  45ppi  55/45  50% 14  45FL4560  16  45ppi  55/45  60% 15  45FL4570  10  45ppi  55/45  70% 16  45FL4070  12  45ppi  60/40  70% 

 

Espuma de PU 

Ciclo Térmico

Aditivos 

Remoción de material en exceso 

Impregnación de la espuma de PU con la 

suspensión

Morfología 

Quema de material orgánico

Dispersante 

Tamaño de muestra 

Secado

Ligante 

Porcentaje de compresión 

Técnica

Rótulo 

ETAPA VARIANTE 

DensificaciónETAPA CONSTANTE 

61  

Las  etapas  constantes  para  este  diseño  de  optimización  corresponden  a  los  mismos  valores constantes del diseño de aproximación y a  los valores escogidos como  resultado de este último diseño.  En  la  Tabla  15  los  valores  para  cada  una  de  estas  etapas.  Para  una  explicación más detallada se puede hacer referencia a lo explicado previamente para el diseño de aproximación.  

Tabla 15: Resumen parámetros constantes en la fabricación de espumas vitrocerámicas (diseño de aproximación) 

Etapa del proceso de réplica 

Parámetro de fabricación  Nivel del parámetro 

Ligante  Bentonita tipo B (Colorminas) Aditivos 

Dispersante  Silicato de Sodio Polvo cerámico  Polvo cerámico  Polvo Vitrocerámico LZSA 

Morfologia  45 ppi y 60 ppi Espuma PU 

Tamaño de muestra  5.0 x 5.0 x 2.5 cm Suspensión cerámica  Suspensión cerámica  VARIABLE 

Porcentaje de compresión  VARIABLE Remoción de material en exceso  Técnica  Calandrado Secado  Secado  24 horas ambiente 

Quema Material Orgánico  450oC por 60 minutos a 1 oC/min Densificación  650oC por 10 minutos a 5 oC/min Ciclo Térmico Cristalización  800oC por 10 minutos a 5 oC/min 

 

7.1.5 Fabricación y caracterización de los soportes cerámicos finales 

Utilizando  los  resultados  del  diseño  de  optimización  se  procedió  a  fabricar  los  filtros  para  ser utilizados  en  la  etapa  de  impregnación  catalítica  y  en  las  pruebas  de  filtración  de  material particulado. El banco de pruebas diseñado requiere filtros cilíndricos (en forma de discos), por  lo cual  se  troquelaron  preformas  poliméricas  cilíndricas  con  un  diámetro  de  7,1  cm.  Una  vez fabricados los filtros, estos se caracterizaron en forma detallada como se describe en la Tabla 16  Para la medición de la permeabilidad fue necesaria la fabricación de un soporte especial, ya que el tamaño de las muestras para el equipo de medición es diferente al tamaño fabricado. Se midió la permeabilidad de tres muestras por cada densidad de poros. Para la medición de la retracción, se determinó el diámetro y la altura final de los discos vitrocerámicos. El nivel de retención de forma se determinó de igual forma que para las muestras prismáticas previamente analizadas. Para esto se midió el ángulo entre los extremos de la cara inferior y superior como se ve en la Figura 34. La morfología de las espumas fue analizada a través de microscopia óptica y electrónica. La porosidad fue  determinada  a  través  de  análisis  de  imagen  siguiendo  el  mismo  procedimiento  descrito anteriormente y según el apéndice 12.1.      

62  

Tabla 16. Caracterización de filtros finales Variables de 

salida Definición  Método  Nivel de respuesta 

Permeabilidad  Medición de flujo de aire Prueba de 

permeabilidad Valor de permeabilidad Darcyan k1 (m

2) 

Retracción Retracción en área y volumétrica 

Medición Valor de retracción en porcentaje 

Nivel de retención de 

forma 

Medición del índice de forma en la contracción volumétrica  

Análisis de imagen Valor de retención de forma ( % ) 

Morfología  Estructura celular interna   SEM y estereoscopio  Resultados analíticos 

  

7.2 Etapa 3: Evaluación del soporte cerámico como filtro activo 

En esta etapa se describe el montaje y procedimiento experimental para  la evaluación  in situ de los filtros fabricados en  la etapa 1. Como se mencionó al principio,  la etapa 2 hace parte de otro proyecto, por lo cual no es incluida aquí. Por este motivo, se pasa de la etapa 1 a la etapa 3 sin que ello  tenga  efectos  negativos  en  la  investigación.  El  objetivo  a  alcanzar  es  la  medición  de  la eficiencia de  los  filtros cerámicos bajo pruebas de  flujo de gas con material particulado. En este capítulo se describirán los quipos y el montaje utilizado para la ejecución de las pruebas, luego se determinará un diseño y un procedimiento experimental. 

7.2.1 Montaje y equipos 

Como  se  mencionó  en  el  capítulo  6.4.2,  se  requiere  el  montaje  de  un  banco  de  pruebas experimental en donde se evalúe el desempeño de  los filtros bajo condiciones de uso simuladas. De igual forma se establece un listado con los datos experimentales necesarios para la recolección en  tiempo  real. El montaje diseñado para este proyecto cumple con algunas de  las expectativas descritas  anteriormente  como  se muestra  en  la  Tabla  17,  considerándolo  como  el  sistema  de medición de eficiencia en su primera versión.  

Tabla 17. Sistemas de medición en banco de pruebas versión 1 Recolección variables experimentales  Sistema versión 1 

Condición de operación de la fuente de energía (RPM del motor, consumo de combustible) 

NO 

Recolección de muestra de Material particulado antes y después del filtro  NO Medición de la caída de presión causa por el filtro  SI Temperatura de la salida de los gases  SI Temperatura del filtro  NO Velocidad de la salida de los gases (medición de flujo)  NO 

   

63  

 c 

 Figura 38: Esquema del montaje del banco de pruebas 

 

7.2.1.1 Motor Diesel 

El motor diesel disponible corresponde a un motor mono cilindro de cuatro tiempos Marca Hatz referencia 1B30. Para su implementación en el banco de pruebas, el eje fue separado de cualquier tipo de carga mecánica. El control de velocidad solo incluye dos niveles, generando temperaturas de salida de gases de combustión de ~70oC a marcha  lenta y de ~600oC en marcha rápida. Estas dos temperaturas representan extremos no válidos para pruebas en estado estable. Por tal motivo se adecuó un sistema de control de velocidad mecánico para obtener una temperatura de salida de gases entre 350oC y 400oC.  

7.2.1.2 Soporte de filtros 

Fue necesario diseñar un sistema capaz de sostener  los filtros fabricados y permitir el único paso del  gas  de  combustión  del  motor  a  través  de  estos.  El  apéndice  12.2  incluye  los  planos  de construcción del soporte de filtros diseñado.  

64  

Tapa Superior (Con entrada para termocupla) 

Manta de  Vermiculita 

 Figura 39: Esquema del soporte para filtros 

 La  Figura  39 muestra  un  esquema  y  fotografías  del  sistema  de  soporte  del  filtro.  Este  sistema consiste en dos piezas cónicas las cuales tienen una salida para medir la caída de presión generada por el filtro. La sección de alojamiento del filtro consta de 2 piezas como se puede ver en la figura anterior. Este soporte está diseñado para alojar filtros con un diámetro de 54±2 mm, teniendo en cuenta la utilización de una manta de 5.4 mm de espesor nominal. La manta utilizada corresponde a  una manta  térmica  InteramTM  100  de  3M.  Esta manta  está  compuesta  de  fibra  de  vidrio  y vermiculita, un material que  se expande  con  la  temperatura. Al expandirse  sella  los  gaps en  el borde del filtro, evitando el paso de  los gases sin filtración. Esta manta está disponible en varias densidades.  La  utilizada  en  este  proyecto  tiene  una  densidad  de  3662  g/m2  y  es  eficiente  a temperaturas mayores a 410oC. Aunque  la  temperatura de  salida de  los gases a  la  cual  se está trabajando  no  alcanza  esas  temperaturas,  su  utilizo  esta manta  ya  que  se  consiguió  solo  una muestra en 3M Colombia.   

7.2.1.3 Sistema de medición de presión diferencial 

Para medir la caída de presión se utilizó un sensor de presión diferencial de Motorola MPX2100DP el cual tiene un rango de 0 a 100 kPa. Según la literatura [2], la caída de presión en estos filtros no supera  los  40  kPa  (400 mbar),  por  lo  cual  el  sensor  se  encuentra  en  el  rango  adecuado.  La sensibilidad del sensor (ΔV/ΔP) según el datasheet corresponde 0.4 mV/kPa y tiene compensación de temperatura entre 0oC y 85oC. Para verificar el comportamiento del sensor y la sensibilidad del mismo se realizó una prueba de calibración con columna de agua, dando el resultado de la Figura 40.  Según  los  datos,  el  sensor  tiene  un  offset  de  0.3 mV  y  una  sensibilidad  (ΔV/ΔP)  de  0.47 

Tapa Inferior

Filtro

Termocupla

65  

mV/kPa. La medición de la caída de presión sobre el sistema no puede hacerse directamente sobre la entrada que tiene  las secciones cónicas del sistema, ya que una contaminación del sensor con material  particulado  puede  causar  un  daño  al  instrumento  de  medición.  Por  tal  motivo,  la medición se realiza de forma indirecta por medio de un tapón de agua.   

 Figura 40: Sensibilidad del sensor de presión MPX2100DP utilizado en el proyecto. Calibración con 

columna de agua  

7.2.2 Diseño Experimental 

En este capítulo se describen los factores (variables de entrada) y las variables de salida del diseño experimental de  la etapa 3, el cual pretende evaluar  la eficiencia de  los filtros en condiciones de operación.  Dado  el  alcance  de  este  proyecto,  solo  se  evaluaran  los  filtros  sin  catalizador.  En posteriores  trabajos  se  incluirán  mediciones  de  filtros  catalíticamente  activos.  El  resultado esperado  en  este  caso  corresponde  a  un  taponamiento  progresivo  del  filtro,  que  puede  ser evidenciado por un aumento en la caída presión y un aumento en la temperatura con respecto al tiempo de medición, como se muestra en la literatura según la Figura 19.             

66  

Tabla 18: Variables diseño experimental de etapa 3 del proyecto Parámetro  Tipo  Método  Nivel  

Tiempo de prueba  Variable de entrada  Tiempo de prueba  minutos Tipo de filtro  Variable de entrada  N/A  45 ppi y 60 ppi 

Caída de presión ΔP  Variable de salida Sensor de presión 

diferencial Valor en mV (se convierte a mbar según sensibilidad del sensor) 

Temperatura de salida de gases 

Variable de salida  Termocupla  Valor de temperatura 

RPM del motor  Constante  N/A  N/A 

 

7.2.3 Procedimiento experimental 

En  este  capítulo  se  expondrá  el  procedimiento  a  seguir  para  la  ejecución  del  experimento propuesto en el capítulo anterior. Este se trata de un diseño de aproximación ya que no se tiene ningún  conocimiento  previo  sobre  el  tipo  de  experimento  o  los  resultados.  Se  conoce  por  la literatura  el  comportamiento  general  de  la  prueba,  pero  no  se  conocen  sus  detalles.  El procedimiento a seguir se puede ver en el diagrama de flujo de la Figura 41.   

67  

INICIO

Figura 41: Diagrama de flujo de procedimiento experimental para etapa 3 

 

Fija RPM del motor 

Montaje de los filtros en banco de pruebas 

NO 

Inicializar instrumentos de medición 

Inicializar motor 

FIN

SI 

ToC de gases entre 350oC y 400oC

Apagar motor con RPM fijo 

NO 

ΔP  >  40kPa  o  Tiempo de prueba >3 h

SI 

68  

 

8 Resultados y Análisis  

8.1 Etapa 1: Resultados de la fabricación del soporte cerámico 

Los  resultados  y  su  análisis  son  presentados  en  este  capítulo  para  cada  una  de  las  etapas  de fabricación del filtro catalítico. 

8.1.1 Resultados y análisis del diseño de aproximación 

Basado  en  el  diseño  de  aproximación  descrito  en  el  capitulo  7.1.3  se  obtienen  los  resultados descritos en la Tabla 19.   

Tabla 19. Resultados diseño de aproximación 

Variable analizada  Prueba Estabilidad dimensional 

Retracción Volumétrica 

Nivel de ret. de forma 

Resistencia mecánica  

1a  Estable  74%  69  Totalmente manipulable Porcentaje de compresión  1b  Estable  55%  89  Totalmente manipulable 

2a  Colapso Parcial  N/A  78  Frágil  2b  Colapso Parcial  N/A  85  Frágil 2c  Colapso Parcial  N/A  79  Frágil 

Orientación del secado y sinterizado 

2d  Colapso Total  N/A  N/A  Frágil 3a  Colapso Parcial  N/A  87  Frágil Remoción de 

material  3b  Estable  49%  81  Frágil 4a  Estable  49%  81  Frágil 

Ligante 4b  Estable  51%  79  Totalmente manipulable 5a  Estable  51%  79  Totalmente manipulable 5b  Estable  53%  89  Totalmente manipulable 5c  Colapso Total  N/A  N/A  Totalmente manipulable Condición de forma 

5d  Estable  67%  84  Totalmente manipulable 6a  Estable  N/A  100  No manipulable 6b  Estable  N/A  100  No manipulable 6c  Estable  N/A  100  Frágil 

Temperatura de densificación 

6d  Estable  60%  85  Totalmente manipulable 

 Cada una de  las pruebas se utilizó para evaluar  las variables establecidas en  la Tabla 8. Cada una de las pruebas realizadas corresponde al análisis de cada una de las variables y el resultado de la prueba anterior se utilizó para las siguientes pruebas. Los análisis en esta etapa del diseño son de carácter más  cualitativo  que  cuantitativo.  Pero  permite  obtener  conclusiones  que  reducen  las pruebas a realizar en el diseño de optimización.  De los factores analizados, lo deseado es obtener una estructura estable, con un nivel de retención de forma superior al 90% y que sea totalmente manipulable. La retracción volumétrica es un factor que debe ser considerado pero no es crítico siempre y cuando dicha retracción sea homogénea en toda la pieza.  

69  

   

• Prueba 1: Porcentaje de compresión Esta prueba  permitió  determinar  el  efecto que  tiene  el  porcentaje de  compresión  sobre  la estructura  final  de  la  espuma  vitrocerámica.  Vemos  que  con  un  porcentaje  mayor  de compresión  (70%  muestra  1a),  tanto  la  retracción  volumétrica  como  la  desviación  de retracción de forma, es mayor al compararlo con la muestra con porcentaje de compresión del 35% (muestra 1b). Según los factores evaluados en esta etapa del diseño, la muestra 1b tiene una mejor estabilidad dimensional, pero con una porosidad inferior.   

         (a) Muestra 1a: Compresión del 70% 

 

    (b) Muestra 1b: Compresión del 35% 

Figura 42: Análisis de imagen de muestras de prueba 1 (diseño de aproximación)  

Utilizando técnicas de análisis de  imagen como se puede ver en  la Figura 42, se determinó  la porosidad de cada una de  las muestras. Los resultados obtenidos corresponden a 73% y 63% para la muestra 1a y 1b respectivamente.  Esta prueba permite concluir que esta variable es un factor crítico en el diseño de fabricación de estructuras celulares por el método de réplica. Es por esto que debe ser incluida como una variable en el proceso de optimización.  

 

• Prueba 2: Orientación del secado y sinterizado La Tabla 7 describe  los cuatro niveles de esta variable. Analizando  los resultados se observa que  la orientación de  las muestra entre el secado y el sinterizado no tiene mayor  incidencia en las variables de salida. En todos los niveles de la prueba 2 las estructuras sufren un colapso ya sea parcial o total, y presentan un comportamiento frágil. En cuanto a al nivel de retracción de  forma  no  se  tienen  suficientes  datos  para  llegar  a  una  conclusión  robusta,  pero  no  se observa una diferencia lo suficientemente significativa como para incluir dicha variable en el diseño de optimización. Por este motivo se decidió fijar la variable de orientación al nivel de normal para el  resto del procedimiento experimental  tanto para este diseño, como para el diseño de optimización 

70  

  

• Prueba 3: Método de Remoción de Material En esta prueba se evaluó a dos niveles el método de remoción de material en exceso en  la etapa  de  impregnación  de  la  muestra  polimérica.  Los  dos  métodos  empleados correspondieron  al de placas paralelas  y  el de  calandrado  como  se  explicó  anteriormente. Debido  a  los  resultados  de  la  prueba  1  es  claro  que  es  necesario  controlar  el  proceso  de remoción de material en exceso en cuanto al porcentaje de compresión. En esta prueba se hace evidente la necesidad de escoger el método para dicha remoción. De los resultados de la Tabla 19 para la prueba 3 se puede observar que la estabilidad dimensional mejora pasando a un  nivel  de  estable  para  la muestra  que  fue  calandrada  en  comparación  con  un  nivel  de colapso parcial de la muestra obtenida por las placas paralelas.   Por medio del método de calandrado, en comparación con el método de placas paralelas, se obtiene  una  mejor  estabilidad  dimensional  ya  que  este  método  promueve  una  mejor redistribución del material  remanente en  la espuma. Esto puede deberse a  la dirección de salida de  la suspensión en exceso. En el método de calandrado,  la suspensión es  forzada a salir por la parte posterior de la espuma a medida que esta pasa a través de los rodillos. Esto hace que se genere una saturación continua de suspensión en la parte posterior impregnando posibles  lugares donde pudo haber quedado alguna deficiencia de material cerámico. En  la primera compresión de  la espuma se elimina el mayor porcentaje de material en exceso. El objetivo  de  la  segunda  y  tercera  compresión  corresponde  a  la  remoción  de material  en exceso sobre  las caras externas de  la espuma y a homogeneizar  la distribución del material remanente.  Por  otro  lado,  el  método  de  placas  paralelas  elimina  el  material  en  exceso comprimiendo  la espuma en una sola dirección, y solo permite  la salida del material por  las caras laterales. Esto puede generar una mala distribución de la suspensión cerámica que se ve reflejado en una estabilidad dimensional pobre con posibles colapsos parciales, en especial en las aristas de las muestras.  Esta  prueba  permite  concluir  que  el método  de  remoción  de  suspensión  en  exceso más adecuado corresponde al método de calandrado. Este fue el método escogido para el resto de pruebas y para el diseño de optimización.  

 

• Prueba 4: Ligante Esta prueba permite analizar  las diferencias entre  los dos  tipos de  ligantes utilizados en el proceso de réplica. La variable de salida que permite analizar  la diferencia corresponde a  la resistencia mecánica de la muestra. Las otras variables de salida tienen valores cercanos y no permiten  concluir.  La  resistencia  mecánica  obtenida  en  la  muestra  donde  se  utilizó  la bentonita tipo A (prueba 4a) presenta un comportamiento más frágil en comparación con la muestra donde su utilizó  la bentonita tipo B (prueba 4b). Este resultado permite seleccionar la bentonita tipo B para las siguientes pruebas y para el diseño de optimización.  

 

71  

  

• Prueba 5: Condición de forma  Esta variable permitió analizar el efecto que tiene la geometría inicial de la espuma polimérica en la estructura final de la espuma vitrocerámica. La manipulación de la variable de condición de  forma  tiene  como  objetivo mejorar  el  nivel  de  retención  de  forma    De  los  resultados descritos en la Tabla 19, se puede observar que la muestra con forma trapezoidal (prueba 5c) sufre un colapso total en su estabilidad dimensional haciendo que sea una forma polimérica no apta para el método de réplica. Por otro lado, se intentó contraer la espuma polimérica de manera  forzada con el  fin de obtener una muestra con un alto nivel de retención de  forma (prueba 5d). Aunque  los resultados muestran estabilidad dimensional y resistencia mecánica adecuada, el nivel de retención de forma no es satisfactorio y se encuentra un detrimento en la retracción volumétrica ya que esta se aproxima a un valor de 70%. Para el caso de muestra de  tamaño  pequeño  (prueba  5b)  de  2.5  x  2.5  cm  se  observa  que  este  tiene  un  nivel  de retención de forma cercano al 90% mientras que con un tamaño grande (prueba 5a) de 5.0 x 5.0  cm  el  nivel  de  retención  de  forma  esta  alrededor  de  un  80%.  Las  demás  variables analizadas entre estas dos muestras son adecuadas y similares.  Esto permite concluir que  la retención de forma se ve afectada por el tamaño de la muestra polimérica,  pero  no  por  la  forma  geométrica  de  la misma.  Los  tamaños  pequeños  de  las muestras  permiten  tener  un  nivel  de  retracción  de  forma  más  adecuado  pero  no corresponden a  tamaños  ideales para aplicaciones de  filtros  catalíticos. Por este motivo  se decide seguir trabajando con un tamaño de 5.0 x 5.0 cm y con  la forma prismática como se planteó inicialmente.  

 

• Prueba 6: Temperatura de densificación  Como se explicó con anterioridad, el mecanismo de sinterización del material vitrocerámico corresponde  al  flujo  viscoso.  Este  mecanismo  se  activa  a  temperaturas  cercanas  a  la temperatura de transición vítrea. Para el LZSA está temperatura corresponde a 540oC según lo  estipulado  por  Klegues  [34]  en  su  investigación.  Por  tal  motivo  se  decidió  analizar  la variable de temperatura de densificación sobre  la espuma  impregnada. Según  los resultados registrados en la Tabla 19, la temperatura de densificación en la cual el nivel de retracción de forma  comienza  a  verse  influenciado  corresponde  a  700oC  (prueba  6d).  Antes  de  esa temperatura  las muestras  presentan  un  nivel  de  retracción  de  forma  del  100%  pero  una  resistencia mecánica con un nivel de no manipulable a excepción de la muestra de la prueba 6c  donde  se  obtiene  un  nivel  de  frágil  para  la  resistencia mecánica.  Con  base  en  estos resultados se decidió optar por una temperatura de densificación de 650oC donde se obtiene una resistencia mecánica media conservando en su totalidad la retención de forma.   Esta  temperatura  de  densificación  escogida modificará  el  ciclo  térmico  para  el  diseño  de optimización que se mostrara más adelante.  

72  

8.1.2 Resultados y análisis del diseño de optimización  

El diseño de optimización busca establecer  los parámetros de fabricación para  la obtención de  la espuma  vitrocerámica  más  adecuada  para  ser  utilizada  como  soporte  catalítico  de  gases  de combustión  de motores  diesel.  La  selección  de  estos  parámetros  se  lleva  a  cabo  de manera independiente para la espuma de 45 ppi y de 60 ppi. En este capítulo se mostrarán los resultados generales del diseño experimental descrito en el capítulo 7.1.4 y el procedimiento de selección de los parámetros de fabricación para obtener los filtros más adecuados (45 ppi y 60 ppi).  

8.1.2.1 Caracterización Morfológica de las réplicas vitrocerámicas 

Con el objetivo de corroborar el método de réplica a partir de resultados morfológicos, se  evaluó cada una de las réplicas generadas siguiendo el procedimiento experimental de la Tabla 14. Para la evaluación  de  morfológica,  se  tomaron  imágenes  SEM  de  dos  secciones  diferentes,  según  lo ilustrado en el esquema de  la Figura 43. El recopilado de todas  las  imágenes se puede ver en el apéndice 12.3.    

 Figura 43: Esquema ilustrativo de preparación de muestras para imágenes SEM 

 Las dos vistas mencionados en  la  figura anterior tanto para  las réplicas de 45 ppi y de 60 ppi se pueden observar de  la Figura 44 a  la Figura 47. Estas muestran comparativamente  la morfología obtenida con cada una de las combinaciones de variables de la Tabla 14.    

Vista seccional interna

Vista superior externa 

Corte con disco de diamante en cortadora isométrica

73  

50%  60% 70% 

FL 50 

(a)  (c) 

FL 45 

(e)(d)  (f) 

FL 40 

 Figura 44: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 45 ppi bajo combinación de parámetros de 

fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista seccional interna             

(g) 

(b)

74  

  

 Figura 45: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 45 ppi bajo combinación de parámetros de 

fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista superior externa    

50%  60% 70% 

(a) 

(d) 

(c) 

(f) 

(g) 

(e)

FL 50 

FL 45 

FL 40 

(b)

 IMAGEN NO DISPONIBLE 

 Colapsó durante 

preparación de muestra

75  

50%  60% 70% 

FL 50 

(a)  (c) 

FL 45 

(e)(d)  (f) 

FL 40 

 Figura 46: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 60 ppi bajo combinación de parámetros de 

fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista seccional interna             

(g) 

(b)

76  

 

 Figura 47: Morfología (imágenes SEM) de réplicas de 60 ppi bajo combinación de parámetros de 

fabricación Formulación Vs Porcentaje de compresión. Vista superior externa  Un primer análisis permite  identificar una diferencia morfológica entre  la estructura  interna y  la estructura externa de las réplicas vitrocerámicas. En las figuras podemos ver que se lleva a cabo un mejor proceso de réplica en la superficie exterior que en la parte  interior en una misma espuma. Esta es una afirmación basada en  la mayoría de  las muestras analizadas.  La Figura 48  ilustra  lo observado  en  un  caso  específico.  Aquí  se  puede  inferir  que  hay  un mejor  proceso  de  réplica basado en las siguientes observaciones.   

50%  60% 70% FL 50 

(a)  (c) 

FL 45 

(e)(d)  (f) 

FL 40 

(g) 

(b)

1. Menor cantidad de poros cerrados 2. Mayor distribución de los poros abiertos. 

77  

3. Se puede  identificar mayor cantidad de estructuras celulares tipo ventana y bordes en  la cara exterior. 

4. En la vista seccional interna se aprecian secciones con colapso de celdas.    

(b) Réplica LZSA. Vista seccional i t

Gran número de celdas taponadas 

No se logran identificar celdas. Celdas destruidas 

 Figura 48: Caso particular de análisis de diferencia de morfología entre interior y exterior de la espuma. Comportamiento generalizado en las otras muestras. Muestra 60FL4560. (Imágenes a la misma escala) 

 Una  posible  hipótesis  para  este  comportamiento  se  encuentra  en  la  etapa  de  extracción  de material en exceso. Una vez impregnada la espuma, esta se pasa a través de rodillos controlando el gap entre ellos, como fue explicado en capítulos anteriores. La espuma se pasa 4 veces por  lo rodillos  rotándola  después  de  cada  pasada  para  promover  la  homogeneidad  de  la  suspensión remanente. Cada paso por los rodillos se llevó a cabo en superficie nueva, esto es, previa limpieza del rodillo. La primera pasada elimina el mayor porcentaje de suspensión en exceso, dejando  los dos rodillos saturados de suspensión. En las siguientes pasadas no se elimina una gran cantidad de suspensión, pero si queda parte de esta sobre los rodillos perteneciente a las caras superficiales de 

(a) Espuma PU de 60ppi

(c) Réplica LZSA. Vista superior t

Celdas inidentificables y distribuidas homogéneamente

Algunos taponamientos superficiales

78  

la espuma impregnada. De cierta manera lo que está sucediendo es una extracción adicional en las caras superficiales de la espuma impregnada. La morfología de las caras externas no depende del porcentaje de compresión que ejercen  los rodillos sino de  la viscosidad de  la suspensión. Lo que rige la extracción adicional de las caras externas es el contacto con superficie limpia del rodillo.   Un análisis sobre  las secciones  internas de  las muestras de 45 ppi y 60 ppi, Figura 44 y Figura 46 respectivamente,  permite  evidenciar  aéreas  de  taponamiento  excesivo  y  áreas  sin  celdas definidas. Este comportamiento es notorio en las espumas con porcentajes de compresión bajos y suspensiones menos  viscosas  como  se puede observar  en  la  Figura  49  y  Figura  50. De manera opuesta, para porcentajes de compresión alto y suspensiones mas viscosas,  la morfología de  las espumas  vitrocerámicas  tienden  a  replicar  mejor  las  estructuras  poliméricas.  Esta  última observación tiene mayor validez para las espumas de 60 ppi que para las espumas de 45 ppi. Como se  observa  en  las  estructuras  de  la  Figura  49,  en  ninguno  de  los  casos  se  puede  identificar claramente un patrón de  réplica, mientras que para  las espumas de 60 ppi de  la Figura 50,  las muestras 60FL4570 y 60FL4070 presentan un patrón de celdas acorde con  la espuma polimérica base.        

79  

50%  60% 70% 

FL 50 

(a)  (c) 

FL 45 

(e)(d)  (f) 

FL 40 

 Figura 49: Comparación morfología de espumas vitrocerámicas. Espumas de 45 ppi 

(g) 

(b)

80  

50%  60% 70% 

FL 50 

(a)  (c) 

FL 45 

(e)(d)  (f) 

FL 40 

 Figura 50: Comparación morfología de espumas vitrocerámicas. Espumas de 60 ppi 

 Para la evaluación de las secciones internas, se escogen las con parámetros de fabricación FL50 y 50% de compresión  

(g) 

(b)

81  

Celdas de espuma PU Taponamientos 

 (a)                                                                                               (b) 

Figura 51: Imágenes SEM (a) Espuma de PU de 45 ppi (b) Réplica LZSA de 45 ppi  Siguiendo  el método  de  caracterización  denominado  Visiocell  en  [1]  se  determinó  el  diámetro promedio de las celdas de la espuma de PU. Este método, el cual permite determinar el diámetro con una precisión de 2%., consiste en identificar la celda en la estructura celular con un perímetro externo compuesto de diez bordes y un pentágono  interno como se puede ver en  la Figura 51a. Luego se debe aproximar tanto el perímetro externo como el perímetro del pentágono  interno a dos círculos. El diámetro de la celda corresponde al promedio de estos dos círculos. Para el caso de la espuma de PU de 45 ppi, el diámetro encontrado corresponde a 1.35 ± 0.05 mm.   La Figura 51b muestra  la  réplica  LZSA de  la espuma de PU de 45 ppi, analizada anteriormente. Como  se  observa,  la  réplica  vitrocerámica  presenta  dos  defectos  a  nivel  general.  El  primero corresponde  a  un  taponamiento  completo  de  una  gran  parte  de  las  celdas  y  el  segundo  a  la formación de una estructura sin definición.   Para identificar el taponamiento de las celdas, se exporta la geometría de las celdas de la espuma PU teniendo en cuenta las magnificaciones de las imágenes, y se compara con la morfología de la réplica  vitrocerámica.  Como  se  observa  en  la  Figura  51b,  los  taponamientos  presentes  son  del mismo orden de magnitud que el tamaño de las celdas de la espuma de PU.   

Estructuras sin definición 

82  

95 µm 80 µm 

110 µm 

(b)300 µm 106 µm 

 Figura 52: Imágenes SEM evidenciando destrucción de bordes de celda (a) espuma de PU de 45 ppi           

(b) (c) réplicas LZSA  En  la  imagen a baja magnificación de  la espuma  LZSA presentada en  la Figura 51b  se observan secciones donde se evidencia una morfología fibrosa. Como hipótesis se plantea la posibilidad que estas  fibras  correspondan  a  secciones  de  bordes  de  celdas  colapsadas.  Para  verificar  esta hipótesis, se analizaron  las secciones donde se presentan  las  fibras,  identificando así geometrías similares  a  la  de  los  bordes  de  celda.  Se  realizaron  algunas mediciones  sobre  estos  bordes  en comparación con bordes de celdas de la espuma de PU, como se observa en la Figura 52. Se puede corroborar que el orden de magnitud del tamaño de los bordes de celda de las espuma de PU es el mismo  que  el  encontrado  en  las  secciones  de  bordes  colapsados.    Esto  permite  concluir  que efectivamente las secciones analizadas corresponden a bordes de celdas colapsadas.   Se realizó el mismo análisis sobre la espuma de PU de 60 ppi y su respectiva réplica vitrocerámica encontrando los resultados presentados en las Figura 53 y Figura 54.   

85 µm 

104 µm  60 µm 

(c)(a) 

83  

Celdas de espuma PU Taponamientos 

 (a)                                                                                               (b) 

Figura 53: Imágenes SEM (a) Espuma de PU de 60 ppi (b) Réplica LZSA de 60ppi  

 (a)                                                                                               (b) 

Figura 54: Imágenes SEM evidenciando destrucción de bordes de celda (a) espuma de PU de 60 ppi           (b) réplicas LZSA 

 Se  determinó  el  diámetro  de  las  celdas  de  la  espuma  de  PU  de  60  ppi  siguiendo  la  misma metodología que para  la espuma de 45 ppi. EL resultado obtenido es un diámetro de 1.00 ±0.05 mm.  Comparando  el  resultado  entre  los  dos  tipos  de  espumas  poliméricas,  el  diámetro  de  la 

Estructuras sin definición 

60 µm 

106 µm 

75 µm 

75 µm 94 µm 

107 µm 

84  

espuma de 60 ppi es 25%  inferior al de  la espuma de 45 ppi. Por otro  lado,  la réplica LZSA de  la espuma de PU de 60 ppi presenta los mismos defectos que la réplica LZSA de 45 ppi.   El  análisis  morfológico  anterior  nos  permite  concluir  que  los  parámetros  utilizados  para  la fabricación de réplicas anteriores no es efectivo. Aunque se están generando estructuras porosas con propiedades adecuadas (permeabilidad, resistencia mecánica, porosidad), estas   espumas de LZSA no deben considerarse como buenas réplicas de  la espuma poliméricas de soporte. Esto se debe a que no están replicando la morfología en cuando a bordes y ventanas poliméricas.   Se  podría  decir  que  se  está  generando  una  nueva morfología  celular  donde  los  bordes  de  las macro celdas (entiéndase por macro celdas  los espacios vacios de  la estructura)  lo componen un conjunto de celdas taponadas interconectadas y el camino poroso lo componen las celdas vacías. Según  lo  observado,  dentro  de  estas  celdas  se  generó  una morfología  fibrosa  constituida  por bordes colapsados.   

8.1.2.2 Caracterización mecánica de las réplicas vitrocerámicas 

Este proyecto determina el  comportamiento de algunas propiedades mecánicas  con  respecto a tres  variables  de  análisis  que  son:  la  densidad  de  poros,  el  tipo  de  suspensión  cerámica  y  la compresión de la espuma en la etapa de remoción de material en exceso. La Figura 55 resume los resultados  de  la  caracterización mecánica  obtenida  teniendo  en  cuenta  estas  tres  variables  de fabricación.   Para  ambas  densidades  de  celda,  la  permeabilidad  presenta  un  comportamiento  creciente  al incrementar el porcentaje de compresión de las espumas. Este valor puede aumentar hasta en un orden de magnitud para ambos tipos de espumas al variar el porcentaje de compresión entre 35% y  70%.  De  igual  forma  se  puede  observar  una  relación  entre  la  permeabilidad  y  el  tipo  de suspensión  cerámica.  Cuanto  menos  viscosa  sea  la  suspensión,  se  pueden  obtener  mayores valores  de  permeabilidad.  Para  el  caso  de  las  réplicas  de  LZSA  fabricadas,  aunque  con suspensiones más fluidas no se logran obtener estructuras celulares definidas, y se tienen valores de permeabilidad altos. Este fenómeno se puede explicar a partir de los resultados morfológicos. Al  impregnar  las  espumas  con  suspensiones más  fluidas,  estas  no  logran  recubrir  de manera adecuadas los bordes de las celdas poliméricas, causando colapsos parciales, que a su vez generan caminos  para  el  paso  de  los  fluidos  con menores  perdidas.  En  el  caso  de  réplicas  con mejor definición de celdas, este fenómeno se puede explicar debido a que al ser más fluida la suspensión genera bordes más delgados, lo cual reduce el área de obstáculo para el flujo.   Comparando  los resultados obtenidos para  las réplicas de LZSA con valores de permeabilidad de otras  estructuras  celulares  encontradas  en  la  literatura  [1],  se  observa  que  estos  valores  se encuentran en el rango inferior de permeabilidades, como se puede observar en la Figura 56. Los marcadores rojos indican los valores obtenidos para las réplicas de LZSA, mientras que los demás 

85  

puntos  representan  la  permeabilidad  de otras  estructuras  celulares  cerámicas obtenidas por  el mismo método como función de  la densidad de celdas (ppi). Se observa que el comportamiento generalizado de  la permeabilidad de  las espumas LZSA corresponde al comportamiento de otras muestras porosas  como  función de  la densidad de  celdas. A medida que  la densidad de  celdas aumenta,  la permeabilidad se reduce. Una posible razón para este comportamiento es debido al aumento de taponamiento de celdas por fenómenos de capilaridad [1] que es más frecuente en celdas de menor tamaño.  Aunque  los  resultados de  la Figura 57 no  son  comparables uno a uno debido a que  los valores reportados en  la  literatura corresponden a espumas de 10 ppi, si se puede analizar el efecto del porcentaje de compresión en la permeabilidad de estructuras celulares por el método de réplica. Al  comprimir en un mayor porcentaje una espuma  impregnada,  se  reduce  la  carga de material particulado de la misma. Esto reduce la probabilidad de efectos de taponamiento y la cantidad de material acumulado en los bordes de celda poliméricos para formar los bordes cerámicos.  Si  los  porcentajes  de  compresión  son muy  elevados  o  si  la  suspensión  es muy  fluida,  puede generarse una mala  impregnación,  causando  colapsos  y  reducciones  excesivas  en  la  resistencia mecánica  de  las  réplicas  cerámicas.  La  resistencia  mecánica  de  una  estructura  celular  está relacionada con la longitud y el espesor de los bordes de celda. Al reducirse la cantidad de material cerámico, se reduce también la resistencia de la estructura.   La variación en el porcentaje de compresión de 70% a 35% puede aumentar la resistencia a cargas compresivas de ~1 MPa a ~7 MPa. Esta es una variación significativa, lo cual permite confirmar el efecto que tiene el porcentaje de compresión en  las propiedades mecánicas de resistencia de  las estructuras celulares. Observando  las morfologías obtenidas para  las réplicas de LZSA, se plantea la  hipótesis  de  la  incidencia  de  las  celdas  taponadas  en  la  resistencia mecánica  final.  A  bajos porcentajes de compresión, se genera un alto taponamiento de celdas. Estos taponamientos que al estar  interconectados, generan una estructura  celular  con bordes equivalentes al  tamaño de celdas taponadas. En consecuencia la carga se distribuye en un área mayor, reduciendo el esfuerzo real aplicado a cada uno de los bordes de celda.  La  porosidad  corresponde  a  otra  variable  respuesta  a  considerar  en  la  caracterización  de  las estructuras  resultantes. Esta es una propiedad que es principalmente  función del porcentaje de compresión,  más  que  de  las  otras  variables  de  análisis.  Muy  ligada  al  comportamiento  de permeabilidad junto con su justificación, la porosidad aumenta con un aumento en los porcentajes de compresión. Este es un comportamiento generalizado para las estructuras celulares replicadas según  se observa en  la Figura 57. El  cambio en  la porosidad puede  llegar a  ser  significativo, de ~65% a ~95% con un aumento en los porcentajes de compresión de 35% a 90%.     

86  

 50/50 55/45 60/40

 

1

10

k 1(x10 

‐10 m 2 )

012345678

σcompresion (M

Pa)

 

60

65

70

75

80

85

Porosidad (%

)

85

87

89

91

93

95

97

99

30 35 40 45 5

Ret. de form

a (%

)

Compresión 

 Figura 55: 

 En cuanto al efecto de la delos  resultados  obtenidos  no

o  

i  i 

 

45pp

 

 

 

0 55 60 65 70 75

de la espuma (%)30 35 40 45 50

Compresión d

Resultados de caracterización de espumas de 45

nsidad de poros por pulgada y la viscosidad d  son  concluyentes. Observando  la  Figura  5

 60pp

Más viscoso

Menos viscos

 

 

 

55 60 65 70 75

e la espuma (%)  

 y 60 ppi 

e la suspensión cerámica, 6,  vemos  que  en  el  caso 

87 

general, el efecto de  la densidad de poros en  las espumas no es  significativo  con  respecto a  la porosidad.  Los  resultados  encontrados  para  las  réplicas  de  LZSA  se  encuentran  en  el  rango  de porosidades generales haciendo parte del límite inferior de estos.   Para aplicaciones catalíticas de  filtración es  importante contar con estructuras cerámicas con un área  frontal mínima de ~2.3x10‐3 m2  según  las geometrías de  los  filtros utilizados en diferentes trabajos  [36;  9;  37;  38].  Según  algunas  pruebas  de  aproximación,  la  retención  de  forma  se convierte en una propiedad crítica al aumentar el  tamaño de  la muestra por encima de un área frontal de ~0.6 m2. Con base en observaciones experimentales,  la retención de forma es función del  porcentaje  de  compresión  y  de  la  viscosidad  de  la  suspensión  cerámica.  La  estabilidad dimensional empeora a medida que aumenta el porcentaje de  compresión durante  la etapa de remoción  de material  en  exceso  y  a medida  que  baja  la  viscosidad  de  la  suspensión,  como  se observa en  la Figura 55. Se cree que este  fenómeno se debe por un  lado a una  insuficiencia de material  vítreo  sobre  la  espuma  polimérica  y  por  otro  lado  al  mecanismo  de  sinterización presente, que corresponde a  la sinterización por  flujo viscoso[26; 39]. Durante  la primera etapa del ciclo, antes de la temperatura de transición vítrea (Tg) del material, la microestructura de este se considera un empaquetamiento aleatorio de polvo vítreo. Una vez la temperatura pasa Tg, los mecanismos  de  sinterización  por  flujo  viscoso  comienzan  a  predominar  generando  una matriz viscosa antes de  la  formación  completa de  los  cristales  [39].  Se podría  llegar a pensar que una escasez  de  material  vítreo  en  la  espuma  polimérica,  puede  llegar  a  causar  contracciones  no controladas  durante  la  etapa  de  densificación  en  el  ciclo  térmico.  Para  poder  comprobar  las hipótesis que establecen  las causas de  la contracción no controlada de  las estructuras, se deben hacer ensayos de contracción teniendo en cuenta la temperatura Tg del material.   

 Figura 56: Resultados de caracterización de espumas de LZSA (marcadores rojos) con respecto a otras 

espumas. La variable de análisis corresponde a la densidad de celdas (ppi) [1] 

88  

 Figura 57: Resultados de caracterización de espumas de LZSA (marcadores rojos) con respecto a otras 

espumas. La variable de análisis corresponde al porcentaje de compresión de las espumas en la etapa de remoción de material en exceso [1]. 

 

8.1.3 Resultados de caracterización de soportes cerámicos finales 

8.1.3.1 Fabricación de filtros de LZSA 

Se  fabricaron  filtros vitrocerámicos de 45 y 60 ppi con 55 ± 2 mm de diámetro y un espesor de               18  ±  1 mm  siguiendo  el  procedimiento  de  réplica  descrito  anteriormente.  La  selección  de  los parámetros de fabricación es consecuencia del análisis morfológico y mecánico de  las diferentes muestras obtenidas. Para pruebas iníciales de filtración de material particulado, se escogieron los siguientes parámetros de fabricación: suspensión cerámica de 50/50 y porcentaje de compresión 50%.   Aunque  esta  combinación  de  parámetros  no  presenta  una  estructura  celular  definida  en  su morfología,  se  obtuvo  un  material  poroso  con  propiedades  mecánicas  adecuadas  para  esta aplicación.  Según  la  literatura,  los  filtros  utilizados  en  estas  aplicaciones  corresponden  a estructuras celulares de alúmina (Al2O3) o zirconia parcialmente estabilizada (ZTA) con porosidades 

89  

entre 80% y 90% y resistencia mecánica a la compresión entre 1 y 7 MPa [36; 30; 3; 2; 7]. Teniendo en  cuenta  estos  rangos,  se  escogieron  los  parámetros  de  fabricación  ya mencionados  para  la producción de los filtros vitrocerámicos. En cuanto a la permeabilidad estas estructuras están en el límite inferior de las estructuras cerámicas con densidad de poros similar, como se puede observar en  la Figura 56. La retención de forma para  los dos tipos de espumas, 45 y 60 ppi, es superior a 90%, lo cual permite tener una tolerancia de ±2 mm en el diámetro de los discos fabricados.   

8.1.3.2 Resultados de prueba de filtración con material particulado 

Como se estableció en capítulo 7.2.2, se realizaron pruebas de filtración con los discos fabricados. Los resultados para la prueba con la espuma de 60 ppi se pueden ver en la Figura 58.   

 Figura 58: Resultados de prueba de filtración de gas con material particulado con espuma de 60 ppi  n 

 quí se puede identificar una temperatura de salida de los gases de ~350 ºC y una caída de presión 

a  caída  de  presión  generada  por  el  filtro  es  consecuencia  de  la morfología  del  filtro  y  de  las 

sicatalizador.  

Ade  ~400 mbar.  Comparando  estos  datos  con  los  datos  encontrados  en  la  literatura,  se  puede observar  que  la  caída  de  presión  generada  por  este  filtro  es  muy  alta.  Normalmente  en  la literatura se encuentran caídas de presión entre 100 y 200 mbar para filtros no catalíticos, como en este caso.  Lcaracterísticas de la prueba de filtración. En cuanto a la morfología, la caída de presión es causada por los bajos niveles de permeabilidad. Aunque estos niveles están en el rango de permeabilidades típicos, no  son  lo  suficientemente altos como para generar   menores caídas de presión. La otra razón  por  la  cual  se  están  obteniendo  caídas  de  presión  tan  elevadas,  corresponde  a 

90  

taponamientos adicionales causados por la degradación de la manta térmica utilizada como sello. Esta manta de degrada durante los ensayos causando taponamientos adicionales.  

8.1.3.3 Mejoramiento del banco de pruebas 

Durante  los ensayos de  filtración utilizando el banco de pruebas  fabricado en este proyecto,  se 

1. Fijación del filtro dentro de la sección de pruebas:  

El sello de vermiculita, no es capaz de  retener el  filtro en su  lugar. La manta  térmica de 

 2. Taponamiento adicional por degradación de la manta térmica 

 Como  se  mencionó  anteriormente,  se  genera  un  taponamiento  adicional  debido  a  la 

9 Conclusiones  

• El método  de  réplica,  bajo  los  parámetros  de  fabricación  establecidos  en  este  trabajo, 

 

• Se  escogió  la  mejor  combinación  de  variables  de  proceso  para  obtener  las  mejores 

compresión 50% 

identificaron  dos  errores  que  deben  ser  corregidos  antes  de  proseguir  con  los  ensayos.  Estos errores corresponden a:  

vermiculita se coloca alrededor del filtro para sellar las fugas por los bordes, ya que esta se expande  con  la  temperatura.  Esta  expansión  no  genera  la  suficiente  presión  para mantener el filtro en su lugar. Durante las pruebas, la presión del gas hace que se desplace el  filtro  generando  fugas  y  mediciones  no  confiables.  Se  recomienda  entonces  la implementación de una especie de tope mecánico, para evitar que los discos se desplacen.  

descomposición  de  la  manta  térmica.  Para  esto  se  recomienda  colocar  la  manta únicamente alrededor del  filtro y asegurar que no queda expuesta  la manta por delante del  filtro.  Esto  evita  que  la  manta  se  degrade  y  genere  escoria  que  pueda  causar taponamientos no controlados.   

genera mejores resultados para  las espumas de 60 ppi. Es necesario expandir  los niveles en las variables de proceso con el objetivo de conseguir una mejor réplica en espumas de 45 ppi.  

propiedades  para  los  soportes  de  filtros  catalíticos.  Aunque  esta  combinación  de parámetros no presenta una estructura  celular definida en  su morfología,  se obtuvo un material poroso con propiedades mecánicas adecuadas para esta aplicación. Se escogieron los siguientes parámetros de  fabricación: suspensión cerámica de 50/50 y porcentaje de 

91  

 

• icas  se  encontraron  con  los  porcentajes  de  suspensión  más  viscosos (50/50) y los porcentajes de compresión más altos (70%). Estas dos variables combinadas 

 

• de compresión en el método de réplica es una variable de proceso de alta incidencia en las propiedades finales y en las morfologías resultantes. Es una variable que 

 

• estra por encima de un área frontal de ~0.6 m2. Esta es función del porcentaje de compresión y de la 

•  celdas de los filtros se degrada bajo   exposición de  los  gases de  combustión.  Esta degradación  causa un  taponamiento no 

• ente a ponamientos  no  controlados  debido  a  la  degradación  de  la  manta  térmica  y  una 

 

0   Recomendaciones este proyecto, se hacen algunas recomendaciones para 

 

  replicabilidad  de  las  espumas  poliméricas  como función de los porcentajes de compresión y las viscosidades de las suspensiones. 

•   porosas bricadas de LZSA en este trabajo.  

 • tallado  de  la  reología  de  las  suspensiones  vítreas 

estudiadas en este proyecto con el fin de complementarlo y expandir el estudio realizado 

 

Las  mejores  répl

de  esta  forma  permiten  generar  un  recubrimiento  de  los  bordes  de manera  adecuada gracias  a  la  suspensión  y  se  evita  el  taponamiento  debido  a  los  altos  porcentajes  de compresión.  

El porcentaje 

debe ser considerada crítica y por lo tanto se requiere un mejor control de esta.  

La retención de forma es una propiedad crítica al aumentar el tamaño de  la mu

viscosidad de  la suspensión cerámica. La estabilidad dimensional empeora a medida que aumenta el porcentaje de compresión durante la etapa de remoción de material en exceso y a medida que baja la viscosidad de la suspensión.   

La manta térmica utilizada para sellar los bordes de laslacontrolado de los filtros. Adicionalmente, esta manta no es capaz de mantener el filtro en su lugar durante las pruebas, por lo que se requiere un sistema de ajuste adicional.  

La caída de presión excesiva sobre  los filtros de LZSA probados se debe principalmtaporosidad muy baja de los filtros.  

1Basado en  los resultados encontrados en mejorar y complementar el trabajo realizado: 

• Explorar  de  manera más  detallada  la

 Determinar  los  catalizadores  y  el método  de  impregnación  en  las  estructurasfa

Llevar  a  cabo  un  estudio  más  de

por Rambo [21].  

92  

• Introducir  nuevos  materiales  cerámicos  y  métodos  para  la  fabricación  de  estructuras 

 • Mejorar  el  sistema  de  banco  de  pruebas  con  el  fin  de  resolver  los  inconvenientes 

• ejorar el sistema del banco de pruebas con el fin de poder tomar muestras de material 

 

porosas. Entre los materiales se pueden explorar alúmina pura, alúmina reciclada, zirconia, carburo  de  silicio.  Entre  los métodos  de  fabricación  se  puede  explorar  el método  de espumación in‐situ 

presentados  anteriormente,  taponamientos  por  degradación  de  la  manta  térmico  y sujeción del filtro dentro de la cámara de medición.  

Mparticulado en tiempo real, antes y después del sistema de filtración, durante las pruebas.   

  

93  

 

11   Referencias [1] Scheffler, Michael and Colombo, Paolo. Cellurar Ceramics. Alemania : Wiley, 2005. [2] Ciambelli, P., et al. Deep filtration and catalytic oxidation: an effective way for soot removal. Catalysis Today 73 (2002) 363–370.  [3] —. Performances of a catalytic foam trap for soot abatement. Catalysis Today 75 (2002) 471–478.  [4] Fino, D, et al.  Innovative means  for  the catalytic  regeneration of particulate  traps  for diesel exhaust cleaning. Chemical Engineering Science. 2003, Vol. 58, 951‐958. [5] Fino, Debora, Saracco, Guido and Specchia, Vito. Filtration and catalytic abatement of diesel particulate from stationary sources. Chemical Engineering Science. 2002, Vol. 57, 4955‐4966. [6] Saracco, G, et al. Diesel particulate abatment via catalytic traps. Catalysis Today. 2000, Vol. 60, 33‐41. [7]  Saracco,  Guido,  Badini,  Claudio  and  Specchia,  Vito.  Catalytic  traps  for  diesel  particulate control. Chemical Engineering Science 54 (1999) 3035,3041.  [8] Van Setten, B.A.A.L., et al. Ceramic foam as a potential molten salt oxidation catalyst support in the removal of soot from diesel exhaust gas. Catalysis Today. 1999, Vol. 53, 613‐621. [9] Ciambelli, Paolo, et al.  Issues on  soot  removal  from exhaust  gases by means of  radial  flow ceramic traps. Chemical Engineering Science 60 (2005) 1619 – 1627.  [10] Lloyd, Alan and Cackette, Thomas. Diesel Engines: Environmental Impact and Control. J. Air & Waste Manage Assoc. 2001, Vol. 51, 809‐847. [11] Si contaramos con un mejor diesel, bajara la contaminacion de la ciudad. Periodico el Tiempo. Febrero 18 de 2007. [12]  Ecopetrol.  [Online]  Febrero  1,  2007.  [Cited:  Octubre  4,  2007.] http://portal.ecopetrol.com.co/contenido.aspx?catID=148&conID=39256&pagID=129415. [13] van Gulijk, C., et al. Selection and development of a reactor  for diesel particulate  filtration. Chemical Engineering Science. 2001, Vol. 56, 1705 ‐ 1712. [14] Maricq, Matti.  Chemical  characterization  of  particulate  emissions  from  diesel  engines:  A review. Journal of Aerosol Science. 2007, Vol. 38, 1079 ‐ 1118. [15] Gibson, Lorna and Ashby, Michael. Cellular Solids, structure and porperties. UK : Cambridge University Press, 1997. [16] Johnson Matthey. [Online] [Cited: Octubre 4, 2007.] http://ect.jmcatalysts.com/. [17] Studart, Andre, et al. Processing Routes to Macroporous Ceramics: A Review, J. Am. Ceram. Soc., 89 [6] 1771–1789 (2006).  [18] Montanaro, L., et al. Ceramic Foams by Powder Processing. Journal of the European Ceramic Society. 1998, Vol. 18, 1339‐1350. [19] Peng, H.X., et al. Microstructure of ceramic foams. Journal of the European Ceramic Society. 2000, Vol. 20, 807‐813. [20] Reed, James. Principles of Ceramics Processing. New York : Jhon Wiley & Sons, Inc, 1995. 

94  

[21] Rambo, Carlos, et al. Processing of Cellular Glass Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 11, 2006, Vol. 89, pp. 3373‐3378(6). [22]  Sarmiento,  Andres.  Fabrication  and  characterization  of  glass  ceramic  structures  by  the replication method. Bogota, Colombia : Tesis Pregrado, Universidad de los Andes, 2006. [23]  Stephenson  &  Lawyer,  Inc.  Reticulated  Foams.  [Online] http://www.steplaw.com/reticulatedfoam.html. [24] Holand, W. and Beall, G. Glass‐ceramic technology. Westerville, OH : The American Ceramic Society, 2002. [25]  Bach,  Hans.  Low  Thermal  Expansion  Glass  Ceramics.  New  York :  Springer‐Verlag  Berlin Heidelberg, 2005. [26] Hevia, R, et al. Introduccion de los Esmaltes Cerámicos. Italia : Faenza Editrice ibérica. [27] Huang,  R.,  Pan,  J.  and Boccaccini, A.R. A  two‐scale model  for  simultaneous  sintering  and crystallization  of  glass‐ceramic  scaffolds  for  tissue  engineering.  Acta  Biomaterialia  (2008)  doi 10.1016/jactbio.2008.02.004.  [28] Fuentes, Sergio and Diaz, Gabriela. Catalizadores, La piedra filosofal del siglo XX. Mexico : La ciencia para todos, 1997. [29] Peralta, Ariela, et al. Catalizadores para  la combustion de material particulado emanado de combustibles  diesel  y  biodisel.  Santigo  del  Estero :  Instituto  de  Investigacion  en  Catalisis  y Petroquimica (INCAPE). [30] Brezny, Rasto and Green, David. Uniaxial strenght behavior of brittle cellular materials. J. Am. Ceram Soc, 76 [9] (1993) 2185 ‐ 92.  [31]  Moreira,  E.A.,  Innocentini,  M.D.M.  and  Coury,  J.R.  Permeability  of  ceramic  foams  to compressible  and  incompressible  flow.  Journal  of  the  European Ceramic  Society.  2004, Vol.  24, 3209‐3218. [32] Mills, N.J. The wet Kelvin model for air flow through open‐cell polyurethane foams. Journal of Materials Science. 2005, Vol. 40, 5845‐5851. [33] Van Setten, B.A.A.L., et al. Stability of catalytic foam diesel‐soot filters based on Cs2O, MoO3, and Cs2SO4 molten‐salt catalysts. Applied Catalysis B: Environmental. 2003, Vol. 42, 337‐347. [34]  Klegues  Montedo,  O.R.  Caracterização  e  Preparação  de  camada  de  Proteção  para revestimento cerâmico constituída por vitrocerâmico do Sistema LZSA. Florianopolis, Brasil : Tese de Pós‐Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Santa Catarina, 2005. [35]  Sousa,  E.  LZSA  glass  ceramic  foam  prepared  by  replication  process.  Advance  in  Applied Ceramics. 2005, Vol. 104. [36]  Saracco,  Guido,  et  al.  Diesel  particulate  abatment  via  catalytic  traps.  Catalysis  Today  60 (2000) 33‐41.  [37] Ciambelli, P., et al. Reduction of  soot pollution  from automotive diesel engine by  ceramic foam catalytic filter. Topics in Catalysis (2007) vol 42‐43.  [38] Ciambelli, P., et al. Study of catalytic filters for soot particulate removal from exhaust gases. Topics in Catalysis (2001) Vol 16/17 No 1‐4.  

95  

[39] Huang,  R.,  Pan,  J.  and Boccaccini, A.R. A  two‐scale model  for  simultaneous  sintering  and crystallization  of  glass–ceramic  scaffolds  for  tissue  engineering.  Acta  Biomater(2008), doi:10.1016/j.actbio.2008.02.004.  [40] Lloyd, Alan and Cackette, Thomas. Diesel Engines: Environmental Impact and Control. J. Air & Waiste Manage 51 (2001) 809 ‐ 847.  [41] Höland, Wolfram. Glass  ceramic  technology  . Westerville, OH   : American Ceramic Society, 2002. [42]  C.  Silveira,  E.  Sousa,  E. Moraes,  A.P.N. Oliveira,  D. Hotza.  Characterisation  of  LZSA  glass ceramics filters obtained by the replication method. Ceramic engineering and science proceedings 26 (2005) 53 ‐ 59.  [43]  Klegues,  Oscar.  Projeto,  Caracterizacao  e  preparacao  de  camada  de  protecao  para revestimento  ceramico  constituida  por  vitroceamico  do  sistema  LZSA.  Florianopolia,  Brasil : Universidad Federal de Santa Caratina, 2005.  

96  

 

12   Apéndices 

97  

 

12.1 Apéndice 1: Análisis de Imagen para medición de porosidad 

Los análisis de  imagen se realizaron utilizando el programa  ImageJ (http://rsb.info.nih.gov/ij/ ) el cual  corresponde  a  un  analizador  de  imagen  de  libre  distribución.  Este  programa  se  utilizó principalmente para determinar la porosidad de las espumas. Para poder utilizar este programa se requiere primero que todo unas imágenes adecuadas las cuales permitan apreciar la morfología de la espuma. Para esto, las muestra porosas deben tener una preparación previa como se explicó en capítulos anteriores.   A  continuación  se  describen  los  pasos  para  la medición  de  la  porosidad  según  las  imágenes adquiridas.   

1. Abril el programa y configurar que es lo que quiere medirse. a. Al  entrar  a Analyze:  Set Measurments  se  abre  la  ventana que  se muestra  en  la 

imagen.  Aquí  se  debe  seleccionar  Area  Fraccion  ya  que  esta  opción  permite determinar el porcentaje de área porosa. Este porcentaje  lo calcula el programa con una relación de pixeles negros / área total de la imagen. 

 

  

  

2. Se debe abrir la imagen que fue tomada de la muestra. El programa acepta varios tipos de formato de imagen. El utilizado en este caso corresponde jpg. 

a.  File: Open b. Escoger y abrir imagen 

 

98  

  

3. Se debe seleccionar el área de análisis. a. Con la herramienta de selección de escoge el área de análisis 

  

b. Se selecciona el área de análisis en la imagen 

  

c. Se corta el área de la imagen seleccionada Image: Crop 

  

   

99  

4. Se ajusta el tipo de imagen para el análisis. Para esto la imagen debe corresponder a una imagen de escala de  grises  (8 bits). Para esto  se entra  a  Image: Type: 8 bit.  La  imagen cambia los colores a una escala de grises.  

 

  

5. Se  ajusta  el  Threshold  de  la  imagen.  Esto  lo  que  permite  es  imponer  los  limites  en  la imagen para la transformación de la imagen de 8 bits a una imagen en blanco y negro. 

a. Image: Adjust: Threshold. Este menú por default abre el controlador del threshold con la opción de RED. Esta opción es la adecuada. 

 

             

b. El  controlador  del  límite  izquierdo  del  threshold  debe  ser  desplazado  en  su totalidad hacia el  lado  izquierdo. El ajuste del threshold se hace entonces con el controlador del lado derecho como se muestra en la siguiente figura. Al manipular estos  controladores,  el  usuario  se  da  cuenta  que  esto  hace  que  aumente  la cobertura  del  area  roja  sobre  la  imagen.  Lo  que  se  busca  es  que  el  área  roja represente  de  la  mejor  manera  la  porosidad  de  la  imagen.  El  usuario  puede guiarse  con  el  histograma  de  frecuencias  de  la  ventana  del  Threshold.  Por  lo general se recomienda ubicar el limite derecho sobre la parte plana de  la grafica, ya que es ahí donde  se genera el menor  cambio posible  con el movimiento del limite.  

100  

             

c. Se le da Apply para convertir la imagen de 8 bits en una imagen de blanco y negro, la cual puede ser analizada por el programa.  

 

  Una vez transformada  la  imagen, se procede hacer el análisis de porosidad. Para esto se entra a Analyze:  Measure.  En  ese  momento  el  programa  hace  los  cálculos  pertinentes  y  arroja  una ventana con los resultados. El porcentaje de porosidad se encuentra en el rubro de % Area. Como fue mencionado, este porcentaje corresponde al área en pixeles de negro / área de pixeles total de la imagen.   

    

101  

RECOMENDACIONES GENERALES 1. Verificar que en  la  imagen convertida a blanco y negro, el color negro corresponda a  la 

porosidad de la pieza original.  2. Intentar tener la mayor cantidad de área posible de análisis. Entre mayor sea el área mas 

representativo es el análisis. 3. Para  obtener  valores  de  porosidad  confiables  se  recomienda  realizar  varios  análisis  de 

diferentes planos de la pieza y en diferente dirección. 4. Para una mejor  inducción al uso del programa, hacer  referencia a  la página web. Allí  se 

encontraran los manuales y varios ejemplos.         

102  

 

12.2 Apéndice 2: Planos de construcción del soporte para los filtros 

         

               

103  

104  

   

  

105  

106  

 

12.3 Apéndice 3: Imágenes SEM para análisis de morfologías 

   

107  

       

 Figura (Apéndice 3) 1: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 50 y 50% de compresión 

   

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

108  

       

 Figura (Apéndice 3) 2: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 50 y 60% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(c)  (d) 

109  

       

 Figura (Apéndice 3) 3: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 50 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45 

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

     

FL40       

Imagen panorámicaVista seccion

al interna 

(a)

110  

       

 Figura (Apéndice 3) 4: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 45 y 50% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

111  

       

 Figura (Apéndice 3) 5: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 45 y 60% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámicaVista seccion

al interna 

(a)

Vista sup

erior externa 

(b)

112  

       

 Figura (Apéndice 3) 6: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 45 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

113  

       

 Figura (Apéndice 3) 7: Imágenes SEM de muestra de 45 ppi, FL 40 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

114  

       

 Figura (Apéndice 3) 8: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 50 y 50% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

115  

       

 Figura (Apéndice 3) 9: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 50 y 60% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

116  

       

 Figura (Apéndice 3) 10: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 50 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

117  

       

 Figura (Apéndice 3) 11: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 45 y 50% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

118  

       

 Figura (Apéndice 3) 12: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 45 y 60% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

119  

       

 Figura (Apéndice 3) 13: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 45 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

120  

       

 Figura (Apéndice 3) 14: Imágenes SEM de muestra de 60 ppi, FL 40 y 70% de compresión 

 

ppi  % compresión 

45  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

ppi  % compresión 

60  50%  60%  70% 

FL50       

FL45       

FL40       

Imagen panorámica Imagen detalle 

Vista seccion

al interna 

(b) (a) 

Vista sup

erior externa 

(d) (c) 

121