instituto politÉcnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/7144/1/araujo.pdfde los...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS

EXTRACTIVAS

ESTUDIO COMPARATIVO DE LA ADICIÓN DE CARGAS

SECUESTRANTES PARA EVITAR LA MIGRACIÓN DE PLASTIFICANTES A LA SUPERFICIE DE PVC

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

P R E S E N T A

ARAUJO CASTRO VICTOR HUGO

PROFESOR ORIENTADOR:

ING. ROSA MARÍA PERALTA HUITRADO

MÉXICO, DF. NOVIEMBRE DE 2007

Tesis Profesional

Víctor Hugo Araujo Castro

RECONOCIMIENTOS Al Instituto Politécnico Nacional por ser la institución que me brindó las herramientas y conocimientos técnicos de mi formación profesional.

A mi querida Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas porque nos enseñó a través de sus Autoridades y Maestros a crecer día con día y a trabajar por alcanzar el éxito dentro del ámbito industrial

A la I.Q.I. Rosa María Peralta Huitrado por sus consejos, su confianza y su valiosa ayuda durante el desarrollo de la Tesis bajo su acertada orientación.

A la Planta Docente de la ESIQIE particularmente a los que se comprometieron siempre con su vocación de enseñar y compartir sus conocimientos y experiencias con los alumnos, formando así los mejores Ingenieros Químicos de México.

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AGRADECIMIENTOS

Al Ser Supremo que ilumina nuestras vidas por haberme concedido ser miembro de una familia unida y de darme integridad, inteligencia y salud durante este tiempo.

A mis Padres Lorenzo Araujo Oláis, y Victoria Castro Rea por sus enseñanzas, cariño y apoyo incondicional para alcanzar esta primera meta en mi formación profesional.

A mi esposa por estar siempre conmigo, apoyándome y dándome fortaleza para poder lograr nuestros sueños.

A mis hermanos por otorgarme su confianza, entusiasmo, comprensión y apoyo incondicional en cada una de las etapas para llegar a esta meta.

Al internado Sección “B” del PDMU Por brindarme la oportunidad otorgándome los medios materiales e ideológicos como herramientas en la obtención de este logro profesional.

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CONTENIDO RESUMEN

i

INTRODUCCIÓN

ii

I. GENERALIDADES 11.1. Conceptos principales 11.2. Teorías de la plastificación 2

1.2.1. Teoría de Boyer 2 1.2.1. Teoría de la lubricidad 3 1.2.1. Teoría de los geles 3

1.3. Tipos de plastificantes 4 1.3.1. Plastificantes internos 4 1.3.2. Plastificantes externos 4

1.4. Propiedades de los plastificantes 8 1.4.1. Volatilidad de los plastificantes 9 1.4.2. Migración de los plastificantes 9 1.4.3. Toxicidad de los plastificantes 9 1.4.3.1. Ftalatos y sus efectos nocivos 9 II. AGENTES SECUESTRANTES O QUELANTES 11

2.1. Conceptos principales 112.2. Características principales de los agentes secuestrantes o Quelantes 14

III. DESARROLLO EXPERIMENTAL 20

3.1. Formulación de Plastisoles con las cargas experimentales propuestas 203.2. Determinación de la pérdida de plastificante 213.2. Determinación de la dureza Shore A 223.2. Determinación de las propiedades de tensión 24

IV. ANALISIS DE RESULTADOS 28

4.1. Resultados 284.2 Estudio comparativo 294.3 Selección de la carga adicionada con mejor retención de plastificante 35

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

36

BIBLIOGRAFÍA

37

ANEXOS 40

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Víctor Hugo Araujo Castro i

RESUMEN

El estudio de la problemática que genera la migración de plastificantes que conllevan riesgos a la salud por la toxicidad de los mismos, problemas de acabado superficial de los materiales, además de que con el tiempo se afectan sus propiedades mecánicas, dieron pié a la realización del presente trabajo de investigación, procediendo a realizar primero una investigación bibliográfica, derivada de ésta se procedió a determinar las posibles cargas que podrían ayudar a disminuir o detener la migración de los plastificantes a la superficie de algunos polímeros, determinando que dada su importancia el PVC es muy representativo para dicha migración, por lo que se experimentó con este material. En este trabajo se realizó una investigación de tipo experimental sobre la adición de cargas secuestrantes o quelantes en la formulación de plastisoles de PVC para disminuir o detener la migración de plastificantes hacia la superficie del mismo material. La investigación realizada permitió la determinación de la carga que más contribuyó a evitar dicha migración. El trabajo escrito se presenta en cuatro capítulos, el capítulo uno considera los fundamentos con los cuales es necesario familiarizarse para comprender la función de los plastificantes, los tipos que existen, el fenómeno de la migración de éstos y los factores que contribuyen a dicha migración. En el capítulo dos se dan a conocer los agentes secuestrantes o quelantes que se usaron en la experimentación así como sus características principales. En el capítulo tres se describe el seguimiento de la experimentación que comprende los materiales y reactivos necesarios, la obtención de los plastisoles con la formulación propuesta, el tratamiento de los materiales en condiciones artificiales de envejecimiento y la evaluación de los materiales obtenidos sometidos a pruebas que nos indican la variación de su conformación referida a la pérdida de plastificante. En el capítulo cuatro se muestran los resultados obtenidos y la comparación de los datos respectivos a cada prueba realizada para la determinación de la carga que más contribuyera a la disminución de la migración de los plastificantes hacia la superficie del PVC. En la parte final de este trabajo se concluyó que la carga que mas contribuyó a la disminución de la migración de los plastificantes hacia la superficie del PVC fue el aminoácido Alanina

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INTRODUCCIÓN

La migración de los plastificantes hacia la superficie de PVC se efectúa de manera espontánea o promovida por un gradiente de concentraciones, provocando problemas de contaminación hacia los materiales o productos adyacentes; además de modificar con ello las propiedades mecánicas de este material. Es también muy señalado, a pesar de causar polémica, el efecto significativo de la toxicidad de los plastificantes. La necesidad de evitar la migración de estos plastificantes a la superficie del PVC ha prevalecido; pero no se han realizado investigaciones al respecto; es por ello que es de relevante importancia el incursionar en la obtención de cargas que pudieran evitar esta migración. La realización de esta investigación conduce a la detención de un fenómeno que afecta la calidad de vida al atentar con la salud; ya que según estudios realizados, los plastificantes ocasionan una amplia gama de riesgo, como son los daños al hígado, los riñones y los pulmones así como anormalidades en el sistema reproductivo y el desarrollo sexual. Los plastificantes, tales como los ftalatos, que son los más usados se clasifican como probables cancerígenos en los humanos. Desarrollar una investigación experimental en la búsqueda de mecanismos fisicoquímicos que eviten la migración de estos plastificantes, es muy importante al trabajar en la obtención de materiales innocuos de uso cotidiano obteniéndose además la prolongación de la vida útil de estos mismos favoreciendo, al medio ambiente al evitar los deshechos recurrentes. Adicionar una carga secuestrante a la composición de un material es la pretensión de este trabajo, planteándose así una posibilidad práctica para los materiales que deben de llevar estos plastificantes; evitando la migración de éstos. Cabe señalar que actualmente la presión de organizaciones ambientalistas ha conseguido la prohibición del uso de estos materiales, principalmente del PVC, en la elaboración de juguetes por la toxicidad de los plastificantes. El PVC es un polímero muy importante cuya versatilidad es obtenida gracias a la adición de plastificantes y otros aditivos, conformando estos un 50 % de la composición del material plastificado; es por eso que esta investigación se centra en este material dada la importancia del mismo y su dependencia de los plastificantes.

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Víctor Hugo Araujo Castro 1

I. GENERALIDADES

1.1. Conceptos principales

Es necesario identificar y comprender los siguientes términos, tomando en cuenta el tema a desarrollar. Plastisoles: Los plastisoles se obtienen mediante la dispersión de un polímero o copolímero de PVC de emulsión en plastificantes y aditivos. El PVC es el producto de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo. La resina que resulta de esta polimerización es la más versátil de la fami8lia de los plásticos; pues además de ser termoplástico, a partir de ella se pueden obtener productos rígidos y flexibles. (Asociación nacional de la Industria Química A. C.) Debido a sus diferentes procesos de polimerización, se pueden obtener con el PVC productos en forma de polvo o “pellet”, plastisoles, soluciones y emulsiones, para a su vez llegar a obtener mediante su procesado, un sin número de productos terminados. Además de su versatilidad, el PVC es la resina sintética más compleja y difícil de formular y procesar, pues requiere de un número importante de componentes y un balance crítico de éstos para poder transformarlo al producto final deseado. En 1932 en B. F. Goodrich Chemical se descubrió que el PVC absorbe plastificante y al procesarse se transforma en un producto flexible. Este descubrimiento hizo posible su desarrollo comercial para muchas aplicaciones. Posteriormente, con el empleo de estabilizadores más adecuados, se hizo posible el desarrollo del mercado del PVC rígido y estos dos son importantes desarrollos permitieron que el PVC se convirtiera en el termoplástico más versátil y el más importante del mercado mundial después del polietileno. (Instituto Mexicano del plástico Industrial)

Plastificantes: Se emplean para impartir flexibilidad. Cuando se formulan con homopolímeros de suspensión, se obtienen compuestos para producción de materiales flexibles. Cuando se combinan con resinas de PVC hasta obtener una pasta, resultando los plastisoles para producción de materiales también flexibles. Químicamente los plastificantes son disolventes de baja volatilidad, los cuales son incorporados en la formulación del PVC para impartirle propiedades elastoméricas de flexibilidad, elongación y elasticidad. Por lo general son líquidos, aunque muy ocasionalmente los hay sólidos. Pueden ser ésteres dibásicos, alifáticos o aromáticos, diésteres glicólicos derivados de ácidos monobásicos, poliésteres lineales, glicéridos epoxidados e hidrocarburos aromáticos de monoésteres, así como hidrocarburos alifáticos clorados.

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Los plastificantes se clasifican en función de su eficacia, permanencia, flexibilidad a baja temperatura, compatibilidad y poder de solvatación en plastisoles. Entre mayor sea la polaridad, cromaticidad o grado de ramificación, mayor será el poder de solvatación y compatibilidad del plastificante. Buenas características de flexibilidad a baja temperatura se obtienen con plastificantes que sean inferiores en solvatación y compatibilidad. En nuestro medio, el DOP, el DIDP y el DINP son empleados como plastificantes primarios (mayor poder de solvatación) y para aplicaciones especiales se usan DIP, BBP, TOTM, DOA, etc. Los epoxidados son plastificantes secundarios en su género pues formulados en bajas proporciones, imparten buenas propiedades a baja temperatura y estabilidad térmica a largo plazo. (www.quiminet.com.mx).

1.2. Teorías de la plastificación

Con respecto a la forma en que actúan los plastificantes se han propuesto tres teorías:

• Teoría de Boyer.

• Teoría de la lubricidad.

• Teoría de los geles. (Hernández Giles, R., 1998)

1.2.1. Teoría de Boyer

Es la de mayor aceptación y la más reciente. Establece que cuando las moléculas del plastificante quedan entre las macromoléculas del PVC, las fuerzas intermoleculares del polímero disminuyen, ya que aumenta la distancia entre cadena y cadena polimérica. En la práctica esto es solo factible a temperaturas elevadas para que las distancias intermoleculares se agranden y el plastificante penetre mejor. Cuando el polímero no contiene plastificante, las fuerzas de Van der Waals y el anclaje mecánico de una cadena con otra impiden el movimiento relativo de éstas, originando un material quebradizo y con muy poca resistencia al impacto. Las moléculas de las resinas termoplásticas se mantienen unidas por enlaces químicos primarios y secundarios en una sola dirección longitudinal. Las fuerzas de enlace entre cadenas son secundarias y se conocen como fuerzas de Van der Waals, con energías del orden de 5 – 10 Kcal/mol que son inferiores a las fuerzas de los enlaces químicos primarios, cuya energía es de 49 – 110 Kcal/mol. Por otro lado, se ha comprobado que mientras mayor sean las fuerzas de enlace polímero – polímero, tanto mayor deberá ser la polaridad del plastificante, para poder formar las uniones polímero – plastificante – polímero. A elevadas concentraciones de plastificante, se forma una fase continua en la cual las cadenas pueden deslizarse fácilmente y la masa plastificada fluye como un gel suave. (Hernández Giles, R., 1998)

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1.2.1. Teoría de la lubricidad

Esta teoría fue desarrollada entre 1940 – 1943 y establece que la resistencia que oponen los cuerpos a deformarse se debe al efecto de la fricción intermolecular. Según esta teoría, el plastificante actúa como lubricante para facilitar el movimiento de las moléculas del polímero, con lo cual se reduce la desistencia a la deformación. (Hernández Giles, R., 1998)

1.2.1. Teoría de los geles

En ésta se establece que la rigidez de una masa polimérica no plastificada se debe a la existencia de uniones semejantes a una especie de panales de miel, de estructura tridimensional, que forman un gel al añadirse el plastificante. La efectividad relativa de los diferentes plastificantes depende tanto de la temperatura como de su acción disolvente. El mecanismo de plastificación de acuerdo con esta teoría se expresa de la siguiente manera:

1. Las fuerzas de atracción entre moléculas están localizadas en puntos específicos a través de toda la cadena del polímero. A éstos se les denomina “centros activos”.

2. El proceso de disolución de una sustancia macromolecular consiste en involucrar estos centros activos; el disolvente hace que disminuya la fuerza de atracción intermolecular por un proceso que se le llama solvatación (separar). En cambio a la agrupación de moléculas poliméricas se le conoce como agregación.

3. De los puntos anteriores se concluye que existen dos fuerzas de equilibrio dinámico que son: solvatación-desolvatación y agregación-disgregación. Estas fuerzas están en función de la temperatura, ya que la agitación térmica separa las moléculas. La solvatación y agregación están en función de la concentración y movilidad de las moléculas; aunque son independientes actúan simultáneamente, es decir la solvatación favorece la disgregación y la disgregación favorece la solvatación.

4. Como las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las macromoléculas de las resinas termoplásticas, son de un orden mucho más bajo que la fuerza del enlace químico en las resinas termofijas, la formación y rompimiento de enlaces temporales se puede determinar con la ayuda de métodos estadísticos. (Hernández Giles, R., 1998)

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1.3. Tipos de plastificantes

Existen dos grupos de plastificantes:

• Plastificantes internos.

• Plastificantes externos. (Téllez Mendoza, H., 1996)

1.3.1. Plastificantes internos Se denominan así a las sustancias que forman enlaces químicos primarios durante el proceso de polimerización, dando origen a un copolímero, por ejemplo el poli (cloruro de vinilo-co-acetato de vinilo) y el terpolimero acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), en donde el acetato de vinilo y el butadieno son los que respectivamente ejercen la acción plastificante. (Téllez Mendoza, H., 1996)

1.3.2. Plastificantes externos Estos plastificantes, a diferencia de los internos, forman enlaces de tipo físico con el polímero mediante las fuerzas de atracción intermoleculares, que modifican las propiedades mecánicas del material proporcionándole flexibilidad. A continuación se describen someramente los principales plastificantes de este tipo, y en la tabla 1 algunos de éstos y sus propiedades.

• Ftalatos. Son diésteres derivados del ácido ftálico, se dividen en ramificados y lineales dependiendo del tipo de radical en su estructura (figura1).

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R Figura 1. Estructura de los ftalatos

a) Ftalatos ramificados. Incluyen desde el dibutil ftalato hasta el ditridecil ftalato. Este grupo de plastificantes están comercialmente disponibles en varios grados de peso molecular y generalmente son los más usados.

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Además pueden proporcionar variadas combinaciones y características funcionales al más bajo costo que cualquiera de los plastificantes usados en la manufactura del PVC flexible. Algunos de los ftalatos ramificados se especifican en la tabla 2.

Tabla 2. Ftalatos ramificados.

Nombre químico Siglas

Di butil ftalato DBP Di hexil ftalato DHP

Di isoheptil ftalato DIHP Di octil ftalato DOP

Di isooctil ftalato DIOP Di isononil ftalato DINP Di isodecil ftalato DIDP

Undecil dodecil ftalato UDP Di tridecil ftalato DTDP

b) Ftalatos lineales. Se obtienen a partir de la reacción del ácido ftálico con alcoholes de cadena lineal. Estos, generalmente son más costosos que los ftalatos ramificados y se usan en particular cuando se requiere flexibilidad a bajas temperaturas. Algunos de los ftalatos lineales se especifican en la tabla 2:

Tabla 3. Ftalatos lineales.


Di reptil nonil undecil ftalato DHNUP Di nonil ftalato DNP

Di nonil undecil ftalato DNUP Di undecil ftalato DUP

• Trimelitatos. Son derivados de la esterificación del anhídrido trimelítico, ver figura 2.

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Figura 2. Estructura de los trimelitatos

Estos plastificantes son trascendentales, ya que permiten un buen funcionamiento durante su aplicación a bajas temperaturas, siendo el triisononil trimelitato el más utilizado. Ejemplos en la tabla 4.

Tabla 4. Trimelitatos.

Nombre químico Siglas Tri octil trimelitato TOTM Tri isooctil trimelitato TIOTM Tri isononil trimelitato TINTM

• Adipatos. Estos plastificantes son obtenidos a partir de la esterificación del

ácido adípico, ver figura 3.

O

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O

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R Figura 3. Estructura de los adipatos

Tienen doble aplicación: ya sea solos o en mezclas con ftalatos, para impartir propiedades a baja temperatura. Como ejemplos tenemos los siguientes en la tabla 5.

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Tabla 5. Adipatos.


Di octil adipato DOA Di isooctil adipato DIOA Di isononil adipato DINA

• Extenders. Son líquidos de bajo costo y tienen limitada compatibilidad con las resinas vinílicas, siendo usados en mezclas con plastificantes primarios para abatir costos. Como ejemplos de éstos tenemos los hidrocarburos nafténicos y los hidrocarburos alifáticos

• Plastificantes epoxidados. Son materiales que actúan como plastificantes secundarios en compuestos de PVC. Su aplicación se canaliza al sinergismo con los plastificantes primarios y con los estabilizadores térmicos, ya que también actúa como estabilizador. Ejemplo de éstos es el aceite epoxidado de soya.

• Plastificantes poliméricos. Se utilizan en materiales que van a tener contacto con solventes, particularmente se utilizan en películas autoadheribles en combinación con epoxidado de soya al 30%. Su inconveniente es no presentar resistencia a los hidrocarburos aromáticos.

(Téllez Mendoza, H., 1996)

1.4. Propiedades de los plastificantes Un buen plastificante, para considerarse como tal, debe reunir la mayoría de los siguientes requerimientos:

• Compatibilidad con el polímero. • Alto efecto plastificante. • Estabilidad térmica. • Escasa volatilidad. • Flexibilidad a baja temperatura. • Resistencia a la hidrólisis. • Resistencia a la extracción. • Mínima absorción de agua. • Resistencia a la migración. • Estabilidad a la luz UV. • Mínima combustión. • No tóxico.

(Hernández Giles, R., 1998)

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1.4.1. Volatilidad de los plastificantes

El plastificante debe tener una volatilidad muy baja, para asegurar su retención en el PVC durante su utilización. La volatilidad se explica por el fenómeno de permanencia, el cual se resume de la siguiente manera:

a) La cantidad de plastificante perdido está en función de la presión de vapor de éste en el compuesto, lo cual a su vez depende de la presión de vapor del plastificante puro, así como del tiempo y actividad en el polímero a una temperatura y concentración determinadas.

b) La difusibilidad o migración del plastificante, desde el interior a la superficie del plástico, depende casi totalmente de la viscosidad del sistema.

(Alonso Cruz, S., Iglesias Silva, R. y Rivera Reyes, N., 1979).

1.4.1. Migración de los plastificantes

La pérdida de plastificante puede presentarse a causa de vaporización, migración y/o extracción. La volatilidad e incompatibilidad se incrementan a medida que la presión de vapor del plastificante aumenta. Los plastificantes de mayor peso molecular son los menos volátiles. La migración de plastificante puede ser detectada por observación visual, ya que la compatibilidad de éste la define la ausencia o presencia de exudación. Los plastificantes de buen poder de solvatación tienen polaridad similar al PVC y por lo tanto presentan generalmente buena compatibilidad y permanencia. La exudación se presenta principalmente en compuestos de PVC preparados con mezclas de plastificantes primarios y secundarios, en las cuales los plastificantes secundarios son los menos compatibles (Miranda Sosa, H., 1996).

1.4.1. Toxicidad de los plastificantes

Si los productos de PVC en su aplicación van a tener contacto con alimentos, es necesario que la resina se formule con plastificantes y aditivos que cumplan con la característica de ser inocuos a la salud. (Hernández Giles, R., 1998)

1.4.1.1. Ftalatos y sus efectos nocivos Los ftalatos representan más del 40% del peso de los productos de vinilo flexible. Debido a que el vinilo es un plástico de uso generalizado, las personas están siendo expuestas a los ftalatos a través de muchas fuentes. Se utilizan para toda clase de productos domésticos (papel tapiz, materiales para el piso), aparatos médicos (catéteres, bolsas para sangre y suero), artículos para niños (biberones, juguetes, colchonetas para cambiar pañales y chupones) y productos de embalaje (botellas desechables, envolturas para alimentos). Además de los productos de vinilo, la gente está expuesta a los ftalatos a través de los cosméticos y los productos aromáticos, como el perfume, el jabón, la loción y el champú. También se agregan a los

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pesticidas, a los adhesivos, a los selladores y a los productos para la estética automotriz. Un estudio realizado por los 'Centers for Disease Control' centros para el control y prevención de las enfermedades (CDC, por sus siglas en inglés) en el 2001, confirmó la presencia de ciertos ftalatos en la gente. Los ftalatos entran al cuerpo a través de los alimentos, el aire que respiramos, el contacto con la piel y las transfusiones sanguíneas. Según la 'Environmental Protection Agency' Agencia de Protección al Medio Ambiente de los Estados Unidos, (EPA, por sus siglas en inglés), la fuente mayor de contaminación con dietilhexil ftalato (DEHP), el agente plastificador más comúnmente empleado, es a través de los alimentos. El DEHP contamina los alimentos durante el almacenaje, a través de las envolturas. De manera similar, estamos contaminados con otros ftalatos de uso común como el ftalato diisononil (DINP). Los niños pueden absorber cantidades más altas de ftalatos debido a que muchos de los juguetes para la dentición se hacen con vinilo altamente flexible que contiene ftalatos. En investigaciones hechas en Holanda y Dinamarca, en las que se simuló el comportamiento de los niños al masticar, se encontró que los niveles más altos de DINP, provenientes de los juguetes, sobrepasaron los límites aceptables de ingestión diaria. Además, un estudio holandés confirmó la observación popular de que los niños chupan y mastican sus dedos y otras cosas que no están hechas para la boca, y este comportamiento, sin duda, aumenta la cantidad de ftalatos que consumen. Las transfusiones sanguíneas representan otra fuente de ftalatos en las personas. Los ftalatos se dispersan desde el vinilo o los aparatos médicos de PVC a las soluciones que después se introducen en los pacientes. Los enfermos, especialmente los niños debido a que sus sistemas están en desarrollo todavía, pueden ser especialmente sensibles a esta clase de exposición. En setiembre del 2001 la 'Food and Drug Administration' Administración de Alimentos y Drogas de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés) advirtió que algunos aparatos médicos de vinilo pueden exponer a ciertos pacientes a niveles peligrosos del ftalato DEHP. Posteriormente, la 'American Medical Association' asociación médica americana (AMA), expresó su preocupación en cuanto a los aparatos médicos que contienen DEHP. Un panel asesor de 'Health Canada' (el sistema de salud pública canadiense), recomendó que no se deben utilizar productos médicos que contienen DEHP en ciertos pacientes como los bebés y los niños varones que no han iniciado la pubertad. El programa nacional sobre toxicología ha expresado su preocupación por el hecho de que los altos niveles de DEHP pueden afectar negativamente el sistema reproductivo masculino durante el desarrollo, aunque no en la madurez. La cantidad de ftalatos en el cuerpo aumenta también al respirar aire o polvo contaminados con estas sustancias provenientes del los pisos de vinilo. Esto es también preocupante en el caso de los niños, ya que pasan mucho tiempo en la casa y respiran cerca del piso. Una investigación preliminar realizada en Noruega, indicó que los niños que viven en casas con piso de vinilo presentan obstrucción de los bronquios con mayor frecuencia que los niños que habitan en casas con piso de

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madera. Posiblemente los ftalatos que se dispersan en el aire sean el factor que vincula estas dos observaciones. El contacto con la piel puede ser una importante ruta de absorción de los ftalatos, a través de los productos higiénicos como el jabón. En el estudio de los CDC sobre los ftalatos, uno de los productos de la descomposición del dietil ftalato (DEP), estaba presente en los niveles más altos entre la población estudiada. El DEP es empleado en varios productos con aromas, como el jabón, lociones y perfumes. El DEP también está presente en productos de plástico, como los cepillos dentales, juguetes y envolturas de alimentos. (www.chemicalbodyburden.org). II. AGENTES SECUESTRANTES O QUELANTES

2.1. Conceptos principales

Agentes secuestrantes o quelantes: La quelatación es la habilidad de un compuesto químico para formar complejos con otras sustancias, en presencia de agentes externos o internos que normalmente producirían la salida de dichas sustancia; por precipitación o migración, del medio en que se encuentran. Los compuestos capaces de ligar otras sustancias de tal manera que no exhiban sus reacciones normales en presencia de otros factores se conocen como agentes secuestradores o secuestrantes. Es importante enfatizar que la reacción de secuestración es frecuentemente parte de un proceso global en el cual se ha encontrado deseable incrementar o inhibir una reacción influenciada por una sustancia; en nuestro caso los plastificantes, la cual tiene lugar independientemente de la reacción de coordinación, o para alterar la influencia de un compuesto sobre la estabilidad de un producto o componente. Existen tres tipos de agentes secuestrantes que se usan ampliamente en la industria: polifosfatos, ácidos aminopolicarboxílicos y ácidos hidroxicarboxílicos. Polifosfatos: usados como aditivos en jabones y detergentes por su capacidad de formar complejos hidrosolubles con iones como el calcio y el magnesio. EDTA: usado en la eliminación de depósitos de calderas y en la industria de jabones y detergentes ya que forma complejos muy estables al calentamiento y en medio alcalino con iones como el calcio y el magnesio. Ácidos hidroxicarboxílicos: los más usados son los ácidos glicónico y cítrico, y en menor grado, el tartárico y el sacárico. Estos ácidos se utilizan en la limpieza de metales, en la estabilización de frutas congeladas pues evita la oxidación del ácido ascórbico (catalizada por metales), y en procesos de electrodeposición. (www.quiminet.com.mx).

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En el caso de los plastificantes la función de agente secuestrante o quelante es la de agente de acoplamiento entre el polímero y el plastificante, formándose entonces las uniones polímero-agente secuestrante-plastificante-polímero; aprovechando las fuerzas intermoleculares que se generan dadas las características de los mismos. En las figuras de la 4 a la 6, se esquematiza esta interacción entre el plastificante, la carga secuestrante y el polímero. En este caso el efecto no deseado es la salida de los plastificantes a la superficie del polímero.

Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl

Cl

Cl

ClClClClClClClCl

O

O

OO O

O

OO

O

O

Cl

Figura 4. PVC flexible plastificado con Di-(2-Etil Hexil) Ftalato

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NH2

CH3

O

OH

H

2HNCH3

O

OH

H

2HNCH3

O

OH

H

O

O O

O

2HNCH3

O

OH

H

2HNCH3

O

OH

H

NH2

CH3

OHO

H

NH2

CH3

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H

2HN

3HC

O

OH

H

2HN

3HC O

OH

H

2HNCH3

O

OH

H

NH2

CH3

O

HO

H

NH2

CH3

OHO

H

NH23HC

O

OHH

2HN

CH3

O

OH

H

Figura 5. Di-(2-Etil Hexil) Ftalato secuestrado por Alanina

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NH2

CH3

O

OH

H

Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl

2HN CH3

O

OHH

2HN CH3

O

OHH

Cl

Cl

Cl

ClClClClClClCl

O

O O

O

2HN CH3

O

OHH

2HN CH3

O

OHH

NH2

CH3

OHO

H

2HNCH3

O

OH

H

2HN

3HC

O

OH

H

2HN

3HC

O

OH

H2HN CH3

O

OHH

Cl

NH2

CH3

O

HO

H

Cl

NH23HC

OHO

H2HN CH3

O

OH

H

O

O

Cl

Figura 6. Di-(2-Etil Hexil) Ftalato secuestrado por Alanina dentro de cadenas

poliméricas de PVC

2.2. Características principales de los agentes secuestrantes o Quelantes Quitina: El término quitina deriva de la palabra griega χιτών, que significa túnica, haciendo referencia a su dureza. La quitina es uno de los componentes principales de las paredes celulares de los hongos, del resistente exoesqueleto de los artrópodos (arácnidos, crustáceos, insectos) y algunos otros animales (quetas de anélidos, perisarco de cnidarios). La primera persona que consiguió describir correctamente su estructura química fue Albert Hofmann, el conocido químico suizo, quién también es el padre de la LSD, el enteógeno más conocido de la cultura occidental.

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Es un polisacárido, compuesto de unidades de N-acetilglucosamina (exactamente, N-acetil-D-glucos-2-amina). Éstas están unidas entre sí con enlaces β-1,4, de la misma forma que las unidades de glucosa componen la celulosa. Así, puede pensarse en la quitina como en celulosa con el grupo hidroxilo de cada monómero reemplazado por un grupo de acetilamina, ver figura 7. Esto permite un incremento de los enlaces de hidrógeno con los polímeros adyacentes, dándole al material una mayor resistencia.

O

O

O

HO

O

O

HO HN

HOH2C

O

HNO

HOH2C

CH3

CH3

n

Figura 7. Quitobiosa, el monómero de la quitina

Es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa. Es usada como agente floculante para tratamiento de agua, como agente para curar heridas, como espesante y estabilizador en alimentos y medicamentos, como resina intercambiadora de iones. Es altamente insoluble en agua y en solventes orgánicos debido a los enlaces de hidrógeno que presenta la molécula. La quitina se vuelve soluble en ácidos inorgánicos diluidos cuando pierde el acetilo del grupo acetilamino, convirtiéndose en quitosan. Contrario a lo que generalmente se piensa, la quitina no forma parte de las conchas de los moluscos gasterópodos. Éstas están formadas por una combinación de nácar, conquiolina, aragonito y carbonato de calcio. (www.es.wikipedia.org).

Quitosan: El Quitosan es un polisacárido natural biodegradable; biocompatible, no tóxico y un excelente formador de películas (filmógeno). Debido a su buena solubilidad puede ser modificado químicamente en diferentes formas y presentaciones (fibras, película, cápsulas, recubrimientos), su campo de aplicación se extiende desde su uso en el tratamiento de aguas residuales hasta la producción de productos especiales en la medicina. El Quitosan se obtiene en la actualidad en todo el mundo única y exclusivamente a través de desacetilación de Quitina de caparazones de camarones y gambas (figura 8). (www.siab-biotechnologie.de).

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O

O

O

HO

O

O

HO NH2

HOH2CNH2

HOH2C

n Figura 8. Monómero de quitosán

El quitosán es soluble en agua acidificada. Esta solubilidad y su viscosidad (que puede hacerse más espesa o más ligera, según se requiera) son características que lo hacen aplicable a usos variados, así como su acción de "imán bioquímico", capaz de detectar sustancias nocivas. Por ejemplo, en el estómago humano, atrapa grasas como el colesterol y los triglicéridos, a los que conduce por el intestino capturados hasta evacuarlos. Así que una aplicación farmacéutica lo utiliza como regulador del peso corporal, mientras que también sirve como regulador de la presión arterial, consecuente a la disminución de grasas. En la industria de alimentos este derivado de la quitina se utiliza para dar consistencia y viscosidad a los aderezos para ensaladas y mayonesas, mientras que en las frutas y verduras frescas sirve como un protector antimicrobiano. Otras aplicaciones están en la industria de los cosméticos, en donde el quitosán se introduce en cremas humectantes, pues es una molécula que absorbe el agua. Algunos fabricantes de shampoo lo utilizan como ingrediente, ya que desarrolla una película que da protección y brillo al cabello. En la industria papelera, donde el principal insumo es la celulosa, el quitosán sirve para fijar y dar resistencia al papel, mientras que una de sus más prometedoras aplicaciones podría ser como plástico biodegradable, sustituyendo al plástico tradicional derivado del petróleo, uno de los materiales más utilizados en el mundo y más difíciles de degradarse, lo que genera mucha contaminación. Como material plástico alternativo, el quitosán ya ha sido sometido a pruebas en el Laboratorio de Biotecnología de la maestra Patricia Miranda Castro, quien desarrolló una especie de celofán a partir de esta sustancia natural. (www.invdes.com.mx)

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Glicina: La glicina (Gly, G) es uno de los aminoácidos que forman las proteínas de los seres vivos. En el código genético está codificada como GGT, GGC, GGA o GGG. Es el aminoácido más pequeño y el único no quiral de los 20 aminoácidos presentes en la célula. Su fórmula química es NH2CH2COOH y su masa es 75,07, ver figura 9.

H2NCH

C

H

OH

O

Figura 9. Molécula de glicina La glicina es un aminoácido no esencial. Otro nombre (antiguo) de la glicina es glicocola. La glicina actúa como neurotransmisor inhibidor en el sistema nervioso central. Fue propuesta como neurotransmisor en 1965. La Glicina es utilizada -in vitro- como medio gástrico, en solucón 0.4M, amortiguada al pH estomacal para determinar bioaccesibilidad de elementos potencialmente tóxicos (metales pesados) como indicador de biodisponibilidad. (www.es.wikipedia.org).

Alanina: Alanina es uno de los aminoácidos que forman las proteínas de los seres vivos. Es una molécula hidrófoba con un grupo metilo. Es el aminoácido más pequeño después de la glicina, ver figura 10.

H2NCH3

O

OH

H

Figura 10. Molécula de la Alanina La alanina es un ácido 2-aminopropanoico, un α-aminoácido no esencial. Existe en dos distintos enanciómeros - L-alanina y D-alanina. La L-alanina es uno de los 20 aminoácidos más ampliamente usados en biosíntesis de proteína, detrás de la leucina, encontrándose en un 7,8 % de las estructuras primarias, en una muestra de 1.150 proteínas1 . La D-alanina está en las paredes celulares bacteriales y en algunos péptidos antibióticos.

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El átomo alfa carbono α-carbono de la alanina está enlazado con un grupo metil (-CH3), haciéndolo uno de los más simples α-aminoácidos con respecto a la estructura molecular, resultando en que la alanina sea clasificada como un aminoácido alifático. La alanina es muy común por transferir su grupo amino al piruvato. Debido a las reacciones de transaminación es rápidamente reversible, por lo tanto la alanina puede fácilmente biosintetizarse del piruvato, por lo que está presente en los ciclos metabólicos de la glicólisis, gluconeogénesis, y en el ciclo del ácido cítrico. El grupo metil de la alanina es muy no reactivo, por lo que no es común verlo en la función protéica. Sin embargo, élla puede jugar un rol en el reconocimiento del sustrato o especificidad, particularmente en interacciones con otros átomos no reactivos como el carbono. Interviene en el metabolismo de la glucosa En el "ciclo de la alanina" genera glucosa de proteínas. Cualquier proteína de los alimentos: carne vacuna, cerdo, pescado, huevos, productos lácteos son ricos en alanina. (www.es.wikipedia.org).

Bentonitas sódicas y cálcicas: La Bentonita es una roca compuesta por más de un tipo de minerales, aunque son las esmectitas sus constituyentes esenciales y las que le confieren sus propiedades características. Su definición parte de 1888 en que fueron descubiertas y clasificadas como tales en Fort-Benton, Wyoming, U.S.A., a causa de una bentonita que poseía propiedades muy especiales, particularmente la de hincharse en el agua, dando una masa voluminosa y gelatinosa. Las bentonitas son también llamadas "arcillas activadas" debido a su afinidad en ciertas reacciones químicas causada por su excesiva carga negativa. Los productos comerciales de bentonitas se clasifican en términos generales como: Montmorillonitas: Arcillas esmécticas con una estructura de capas. El ión aluminio predomina en la estructura pero puede ser reemplazado por otro ión metálico formando una gran variedad de minerales. Bentonita: Describe generalmente una arcilla compuesta esencialmente de Montmorillonita. Bentonita Sódica: Es una Montmorillonita que se encuentra en forma natural y que contiene un alto nivel de iones de sodio. Se hincha al mezclarse con el agua. También se conoce como "Wyoming Bentonita" o "Western Bentonita". Bentonita Cálcica: Es una Montmorillonita en la que el catión intercambiable predominante es el calcio. No exhibe la capacidad de hinchamiento de la bentonita sódica, pero tiene propiedades absorbentes. También es llamada "Southern, Texas o Mississippi Bentonita”. La denominación Tierras de Fuller tiene que ver con el procesado de aceites. Bajo la denominación de Tierras de Fuller se ofrecen arcillas de composición mineralógica

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diversa. Lo más habitual es que estén compuestas por esmectitas cálcicas y/o paligorskita, y, menos frecuentemente, sepiolita. Sin embargo, también se han comercializado Tierras de Fuller con ópalo como constituyente más abundante, acompañado de montmorillonita, e incluso con halloysita y caolinita como otros minerales de la arcilla. Aplicaciones Industriales: Las bentonitas propiedades muy amplias y atractivas lo que hace que sus usos sean muy amplios y diversos. Sus aplicaciones industriales más importantes son: Arenas de moldeo: La bentonita se utiliza en la fabricación de moldes para fundición, a pesar de que la industria ha empezado a utilizar otras tecnologías y ha ido sustituyendo a las bentonitas por otros productos. El proceso conocido como fundición es aquel en el que un metal fundido es vaciado en un molde que tiene la forma del artículo que se va a producir, el cual se obtiene una vez enfriado y solidificado el metal. Las arenas de moldeo están compuestas por arena y arcilla, generalmente bentonita, que proporciona cohesión y plasticidad a la mezcla, facilitando su moldeo y dándole resistencia suficiente para conservar la forma adquirida después de retirar el molde y mientras se vierte el material fundido. La proporción de las bentonitas en la mezcla varia entre el 5 y el 10%, pudiendo ser ésta tanto sódica como cálcica, según el uso a que se destine el molde. La bentonita sódica se usa en fundiciones de mayor temperatura que la cálcica por ser más estable a altas temperaturas, suelen utilizarse en fundición de acero, hierro dúctil y maleable y en menor medida en la gama de los metales no férreos. Por otro lado la bentonita cálcica facilita la producción de moldes con más complicados detalles y se utiliza, principalmente, en fundición de metales no férreos. Las especificaciones desarrolladas por las asociaciones de industrias de fundición para las Bentonitas, abarcan propiedades tales como contenido de humedad, índice de hinchamiento, valor de pH y límite líquido entre otras. Lodos de perforación: A pesar de los numerosos cambios que han tenido las formulaciones de los lodos de perforación, la bentonita sigue utilizándose en gran medida. Los lodos de perforación son los fluidos bombeados que circulan a través del pozo mientras este es perforado. Su composición se ajusta a medida que cambian las exigencias, de acuerdo con la profundidad de la perforación y los otros materiales encontrados. (www.quiminet.com.mx).

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III. DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1. Formulación de Plastisoles con las cargas experimentales propuestas Los productos flexibles de PVC son susceptibles a la degradación y pérdida de plastificante durante su vida útil, modificando sus propiedades físicas, para demostrar que las cargas adicionadas disminuyeron dicha migración se implementaron pruebas de degradación acelerada. En la tabla 6 se describe la formulación de las probetas evaluadas; en las figuras 12 y 13 se muestra la preparación de los plastisoles para su posterior curado.

Tabla 6. Composición en % de las probetas evaluadas

Componente % Resina (PVC Emulsión) 45.34 Resina (PVC masa) 11.34 DOP 17.82 TOTM 16.19 Estabilizador (Ba, Zn, Cd) 1.13 Fosfito de Trifenilo 1.13 Caolin 2.81 Cargas Propuestas 4.24

Figura 11. Mezcla de componentes

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Figura 12. Preparación de la mezcla para el curado

Las pruebas aplicadas a estas probetas se llevaron a cabo con métodos normalizados. Se determinó la pérdida de plastificante mediante el procedimiento DGN-E-72, la dureza Shore A de acuerdo con el método ASTM D-2240 y la resistencia a la tensión siguiendo el método ASTM D 638.

3.2. Determinación de la pérdida de plastificante

La norma DGN-E-72 establece el método para determinar la pérdida de plastificante por calentamiento en materiales vinílicos. Aparatos:

• Estufa de ventilación forzada

• Balanza analítica con precisión de 0.001 g. De cada una de las cargas se cortaron probetas de 127 mm de longitud, 25.4 mm de anchura y un espesor promedio de 2.5 mm; ver figura 13 y 14. Pesándola y anotando su valor como w1.

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Figura 13. Acotaciones de las probetas

Figura 14. Probetas utilizadas Procedimiento: Las diferentes probetas son sometidas a 104º C en la estufa, un periodo de 7 días. Concluido el periodo de prueba, se retiran las muestras de la estufa y se dejan enfriar durante 4 horas como mínimo, para después pesarlas obteniendo el peso w2. El porcentaje de pérdida de plastificante se calcula con la siguiente fórmula: % Pérdida = ((w1 – w2)/w1) x 100

3.2. Determinación de la dureza Shore A El método ASTM D-2240 consiste en determinar la fuerza necesaria para penetrar la superficie de los materiales aplicando una carga a una punta. En este caso se aplicará esta norma en la determinación de materiales suaves o flexibles, Shore A. la lectura de estos valores se toma después de 1 a 10 segundos de aplicada la presión con la mano y va de una escala de 0 a 100.

25.4 mm

127 mm

2.5 mm

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Aparatos: Se utiliza un durómetro tipo A (figura 15) que usa una aguja con un diámetro de 1.4 mm en la base y afilada con un ángulo de 35º en el extremo para tener un diámetro de 0.79 mm al final de la punta.

Figura 15. Durómetro tipo A

Procedimiento: Se utilizaron 5 probetas y se tomaron las lecturas antes y después del tratamiento térmico, para poder observar la variación de dureza a la perdida de plastificante del PVC evaluado (Figura 16).

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Figura 16. Lectura de dureza tipo A

3.2. Determinación de las propiedades de tensión

El método ASTM 638M-77a comprende la determinación de las propiedades de tensión para materiales no rígidos con espesores de hasta 3.2 mm. Modulo de elasticidad: Es un índice de la rigidez del material. Cuando se comparan diferentes materiales por su rigidez, deberán emplearse muestras de dimensiones idénticas. Esta determinación normalmente se realiza al 100 % de elongación de la probeta. Aparatos: Para la determinación del módulo de elasticidad al 100 % se necesitaron 10 probetas, 5 sin tratamiento térmico y 5 con tratamiento térmico para poder observar la variación de rigidez antes y después del tratamiento térmico. Para poder determinar las propiedades de tensión se emplea un dinamómetro (tensiómetro), cuyas características se pueden observar en la figura 17, la cual se muestra a continuación.

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Figura 17. Máquina universal de pruebas: 858 Table top system MTS-858 Cap. 5 toneladas.

Procedimiento: La probeta utilizada en esta prueba, como se describió anteriormente, deberá tener las dimensiones de 127 mm de longitud, 25.4 mm de anchura y un espesor promedio de 2.5 mm. Colocar la probeta entre las mordazas, de manera totalmente perpendicular, para lograr un esfuerzo uniforme en la elongación. La separación inicial de las mordazas deberá ser de 51 mm. Arrancar la máquina para una velocidad de 10 mm/min. y anotar la carga (fuerza) al 100 % de elongación.

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El modulo de elasticidad (E), ver figura 18, se calcula de la siguiente manera: E= τ / γ; donde τ = F/A E= Módulo de elasticidad MPa τ = Esfuerzo para lograr la elongación al 100 % F= Fuerza (carga) en Newtons γ = Elongación al 100 % A= Área de la probeta entre las mordazas

Figura 18. Gráfica de esfuerzo vs. deformación

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En las figuras 19 y 20 se muestra el desarrollo de la prueba.

Figura 19. Inicio de la prueba

Figura 20. Final de la prueba

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IV. ANALISIS DE RESULTADOS

4.1. Resultados Los resultados que se muestran a continuación proporcionan la información obtenida de la evaluación de la pérdida de plastificante, la dureza Shore A y los módulos de elasticidad de las probetas antes y después del tratamiento. Las tablas de la 7 a la 10 muestran las medias aritméticas de las mediciones en las 5 probetas utilizadas para cada propósito.

Tabla 7. Pérdida de plastificante durante el curado.

Carga adicionada w1 (g)

w2 (g) % perdida

Alanina 11.274 11.219 0.488 Bentonita SP 11.227 11.054 1.537 Quitosán 11.342 11.152 1.675 Bentonita SB 12.176 11.949 1.868 Quitina 11.708 11.480 1.943 Glicina 12.012 11.677 2.789 Bentonita C 11.926 11.582 2.889 Testigo 11.785 11.437 2.949

Tabla 8. Pérdida de plastificante durante el tratamiento térmico.

Carga adicionada w1 (g)

w2 (g) % perdida


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Tabla 9. Variación de dureza durante el tratamiento térmico

Carga adicionada Dureza 1 Shore A

Dureza 2 Shore A Variación

Alanina 69 70 1 Bentonita SP 70 71 1 Quitosán 72 74 2 Bentonita SB 72 75 3 Quitina 74 78 4 Glicina 75 80 5 Bentonita C 75 80 5 Testigo 77 84 7

Tabla 10. Variación del modulo de elasticidad durante el tratamiento térmico

Carga adicionada Modulo 1 (MPa)

Modulo 2 (MPa) Variación


4.2 Estudio comparativo

Para comprender mejor los resultados obtenidos en las pruebas de envejecimiento a 104º C durante siete días realizadas a probetas de PVC flexible reportados en las tablas de la 7 a la 10, se discuten a continuación los cambios observados que se muestran en las gráficas de las figuras 21 a la 25.

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

% d

e pé

rdid

a de

pla

stifi

cant

e

Alanina

Bentonita S

P

Quitosán

Bentonita S

B

Quitina

Glicina

Bentonita C

Testigo

Cargas secuestrantes o quelantes

Pérdida de plastificante en el curado

Figura 21. Gráfica de % de plastificante perdido vs. Carga adicionada, durante el curado

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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

% d

e pé

rdid

a de

pla

stifi

cant

e

Alanina

Bentonita SP

Quitosán

Bentonita SB

Quitina

Glicina

Bentonita C

Testigo


Pérdida de plastificante en el tratamiento térmico

Figura 22. Gráfica de % de plastificante perdido vs. Carga adicionada, durante el envejecimiento artificial de siete días

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0

1

2

3

4

5

6

7

Varia

ción

Alanina

Bentonita SP

Quitosán

Bentonita SB

Quitina

Glicina

Bentonita C

Testigo


Variación de dureza con el tratamiento térmico

Figura 23. Gráfica de variación de la dureza vs. Carga adicionada, durante el envejecimiento artificial de siete días

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0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Varia

ción

MPa

Alanina

Bentonita S

P

Quitosán

Bentonita S

B

Quitina

Glicina

Bentonita C

Testigo


Variación del modulo de elasticidad con el tratamiento térmico

Figura 24. Gráfica de variación del modulo de elasticidad en MPa vs. Carga adicionada, durante el envejecimiento artificial de siete días

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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Varia

ción

Alanina

Bentonita S

P

Quitosán

Bentonita S

B

Quitina

Glicina

Bentonita C

Testigo


Variación de perdida de plastificante y propiedades con el tratamiento térmico

Figura 25. Gráfica general donde se muestran las variaciones de las propiedades del material y la proporcionalidad con la pérdida de plastificante en el curado y el tratamiento térmico.

Variación del modulo de elasticidad (MPa)

Perdida del plastificante en el curado (%)

Variación de dureza con el tratamiento térmico

Perdida del plastificante en tratamiento térmico (%)

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4.3. Selección de la carga adicionada con mejor retención de plastificantes

En base a los resultados obtenidos se refleja claramente la efectividad de la Alanina como el agente quelante que proporciona mayor cantidad de retención de plastificante, evitando la migración del mismo hacia la superficie del polímero. La selección de la mejor carga de acuerdo con las características deseadas es la adición de Alanina a la formulación de los plastisoles.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El envejecimiento y la degradación de los plásticos durante su uso en ambientes extremosos y hostiles es una realidad; por ello surge la necesidad de simular las condiciones en las que particularmente el PVC flexible se expone durante su aplicación. Los resultados obtenidos en los materiales de prueba al final de la experimentación en el periodo establecido nos indican cual es el comportamiento de las propiedades evaluadas, comparándolas con la muestra testigo. Las cargas de agentes quelantes adicionadas en la formulación de materiales de PVC ayudaron a disminuir y evitar la migración de los plastificantes hacia la superficie del polímero, por lo cual se comprueba la hipótesis planteada al principio de nuestra investigación. Además del uso de Alanina, como agente quelante, en la formulación de PVC se recomienda el uso de antioxidantes, cuya función es neutralizar las reacciones oxidativas en el material, conservando sus propiedades mecánicas y aumentando su vida útil. La Alanina funciona también como agente de acoplamiento o entrecruzamiento; enlazando la parte orgánica del polímero con el plastificante, ayudando a retener sus propiedades mecánicas. Así se unen las moléculas del polímero, formando una malla más estable, aumentando sus características y mejorando su resistencia al medio ambiente. Los plastificantes clasificados dentro de los trimelitatos, tienen la propiedad de aplicarse a altas temperaturas, lo que evita la degradación del PVC a estas condiciones. Se recomienda su uso en mezcla con plastificantes primarios en la formulación de materiales que requieran utilizarse en ambientes calurosos. Finalmente para disminuir el problema del envejecimiento se sugiere tener precaución durante el uso a temperaturas superiores a 40 ° C, ya que se favorece la hidrólisis y esta provoca endurecimiento del PVC flexible y con ello pierde gran parte de sus propiedades mecánicas.

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ANEXOS

A continuación se presentan el resumen de las normas bajo las que se realizaron las pruebas así como la composición de las arcillas utilizadas. Norma DGN-E-72 La norma DGN-E-72 establece el método para determinar la pérdida de plastificante por calentamiento en materiales vinílicos. Aparatos:

• Estufa de ventilación forzada

• Balanza analítica con precisión de 0.001 g. De cada una de las cargas se cortan probetas de 127 mm de longitud, 25.4 mm de anchura y un espesor promedio de 2.5 mm; ver figura 1A. Pesándola y anotando su valor como w1.

Figura 1A. Acotaciones de las probetas Procedimiento: Las diferentes probetas son sometidas a 104º C en la estufa, un periodo de 7 días. Concluido el periodo de prueba, se retiran las muestras de la estufa y se dejan enfriar durante 4 horas como mínimo, para después pesarlas obteniendo el peso w2. El porcentaje de pérdida de plastificante se calcula con la siguiente fórmula: % Pérdida = ((w1 – w2)/w1) x 100

25.4 mm

127 mm

2.5 mm

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Norma ANSI/ASTM D 2240 Los instrumentos para esta prueba son usados para muchas y sofisticadas mediciones cuantitativas. Rockwell, wilson, barcol, brinell y shore son las pruebas más conocidas. Consiste en determinar la fuerza necesaria para penetrar la superficie de los materiales aplicando una carga a una punta. En la prueba brinell se relaciona la dureza con el área presionada. Los valores típicos de la dureza brinell para algunos plásticos son por ejemplo: acrílico, 20; poliestireno, 25; pvc, 20; y polietileno, 2. La prueba Rockwell relaciona la dureza con la diferencia de penetración de dos diferentes cargas. La menor carga (usualmente 10 K) y la mayor carga (de 60 a 150 k) son aplicadas a una punta terminada en arco. Los valores típicos de dureza Rockwell para algunos plásticos son, acrílico, M 100; poliestireno, M 75; PVC, M 115; y polietileno, R 15. Las pruebas de dureza Barcol se realizan utilizando una punta afilada. Para plásticos suaves o flexibles, deben usarse los durómetros Shore. Existen dos rangos de dureza Shore. Tipo A que usa una punta desafilada para hacer pruebas a plásticos suaves. Tipo D usa una barra terminada en punta afilada para medir la dureza de materiales duros. La lectura de estos valores se toma después de 1 a 10 segundos de aplicada la presión con la mano y va de una escala de 0 a 100. Cargas y refuerzos in una muestra pueden causar variaciones locales en la prueba. Se toman muchas lecturas y se expresan como media aritmética. Aparatos: Los durómetros tipo A usan una aguja con un diámetro de 1.4 mm en la base y afilada con un ángulo de 35º en su extremo para tener un diámetro de 0.79 mm al final de la punta.

Norma ANSI/ASTM D 638 El método ASTM D 638 comprende la determinación de las propiedades de tensión para materiales no rígidos con espesores de hasta 3.2 mm. Resistencia a la tensión. Si una fuerza es aplicada a una material por unas mordazas hasta la ruptura, el esfuerzo a la tensión puede ser calculado. El esfuerzo a la tensión es calculado dividiendo la máxima fuerza con el área entre las mordazas. Modulo de elasticidad (modulo de tensión): Es un índice de la rigidez del material. Cuando se comparan diferentes materiales por su rigidez, deberán emplearse muestras de dimensiones idénticas. Esta determinación normalmente se realiza al 100 % de elongación de la probeta.

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El modulo de elasticidad, también llamado modulo de tensión y modulo de Young, es la relación entre la fuerza aplicada y la deformación dentro del rango de elasticidad. Es calculado al dividir la carga o fuerza en Pascales por la elongación en milímetros por milímetro.

Tensión Modulo de elasticidad=

Elongación mm/mm

El modulo de elasticidad no refleja información de la tensión arriba de los límites proporcionales. La región de plasticidad y deformación permanente no son de utilidad para el diseño de productos. La relación de la fuerza de tensión y la elongación es de utilidad en conocer como estará un espécimen plástico al estirarse con alguna determinada carga. Un valor alto de modulo de elasticidad indica que el plástico es rígido y tendría resistencia al estiramiento o alargamiento. En la figura 2A se muestra una curva de tensión-deformación. El área bajo la curva es la energía necesaria para lograr la deformación de determinado material en estudio. Aparatos: Para la determinación del módulo de elasticidad al 100 % se necesitaron por lo menos 5 probetas, Para poder determinar las propiedades de tensión se emplea un dinamómetro (tensiómetro).

Procedimiento: La probeta utilizada en esta prueba, como se describió anteriormente, deberá tener las dimensiones de 127 mm de longitud, 25.4 mm de anchura y un espesor promedio de 2.5 mm, ver figura 1A. Colocar la probeta entre las mordazas, de manera totalmente perpendicular, para lograr un esfuerzo uniforme en la elongación. La separación inicial de las mordazas deberá ser de 51 mm. Arrancar la máquina para una velocidad de 10 mm/min.y anotar la carga (fuerza) al 100 % de elongación.

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El modulo de elasticidad (E), ver figura 2A, se calcula de la siguiente manera: E= τ / γ; donde τ = F/A E= Módulo de elasticidad MPa τ = Esfuerzo para lograr la elongación al 100 % F= Fuerza (carga) en Newtons γ = Elongación al 100 % A= Área de la probeta entre las mordazas

Figura 2A. Gráfica de esfuerzo vs. Deformación

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Bentonita cálcica En la tabla 1A, se muestra el análisis químico típico de la arcilla

Tabla 1A. Análisis químico de la bentonita cálcica

En la tabla 2A se muestran las especificaciones técnicas de la arcilla

Tabla 2A. Especificaciones técnicas

Especificaciones técnicas: Valores Resistencia a la comprensión en verde* 12.0 psi mín. Resistencia a la comprensión en seco* 80.0 psi mín. Hinchamiento libre ** 16.0 cc mín Humedad (3 hrs. A 105°C) hasta 12.0% *** Finura (retenido en malla 200) 15.0% máx. Gel (25 grs. En 100 ml. De agua dest.) No presenta

*Mezcla realizada con 8% de bentonita y 3% de agua destilada utilizando arena sílica Oklahoma 90/100 afs de grano sub-redondo y mezclándola en un mixturador de rodillos durante 210 segundos. ** 2 gr. De bentonita en 100 ml. de agua destilada, dejándose reposar durante 24 horas. *** Tolerancia máxima de14% cuando por cuestiones climatológicas sea necesario.

% SiO2 58.0 - 64.0Al203 18.0 - 21.0Fe2O3 2.5 - 2.8 MgO 2.5 - 3.2 CaO 0.1 - 1.0 Na2O 1.5 - 2.7 K2O 0.2 - 0.4

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Bentonita sódica B En la tabla 3A, se muestra el análisis químico típico de la arcilla

Tabla 3A. Análisis químico de la bentonita sódica B



Especificaciones técnicas: Valores Resistencia a la comprensión en verde* 11.0 psi mín. Resistencia a la comprensión en seco* 80.0 psi mín. Hinchamiento libre ** 20.0 cc mín Humedad (3 hrs. A 105°C) hasta 12.0% *** Finura (retenido en malla 200) 15.0% máx. Gel (25 grs. En 100 ml. De agua dest.) 3 min. máx

*Mezcla realizada con 8% de bentonita y 3% de agua destilada utilizando arena sílica Oklahoma 90/100 afs de grano sub-redondo y mezclándola en un mixturador de rodillos durante 210 segundos. ** 2 gr. De bentonita en 100 ml. de agua destilada, dejándose reposar durante 24 horas. *** Tolerancia máxima de14% cuando por cuestiones climatológicas sea necesario.


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Bentonita sódica Perfobent En la tabla 5A, se muestra el análisis químico típico de la arcilla

Tabla 5A. Análisis químico de la bentonita sódica B



Especificaciones técnicas: Valores Color Variable Viscosidad aparente 15 cps mín Filtrado 16.0 mls máx Humedad (2 hrs. A 105º C) 12.0 % máx Finura (malla 200) 85 % mín

*Viscosidad Fann haciendo un lodo al 6.4% de sólidos ** Para usos de construcción no se requiere esta especificación. **Tolerancia máxima de 14% cuando sea necesario por cuestiones climatológicas.


instituto politÉcnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/7144/1/araujo.pdfde los...

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