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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
“RECUBRIMENTO POR ELECTRÓLISIS PARA LA
PLASTIFICACION SUPERFICIES METÁLICAS”
AUTOR:
ARIANNA LIZBETH VALDEZ NAVARRO
DIRECTOR DE PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. ALFREDO LEAL CHANTONG MSc.
GUAYAQUIL-ECUADOR
Abril-2019
I
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA ANEXO 10
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: “RECUBRIMENTO POR ELECTRÓLISIS PARA LA PLASTIFICACION SUPERFICIES METÁLICAS”
AUTOR: VALDEZ NAVARRO ARIANNA LIZBETH
TUTOR: ING. LEAL CHANTONG ALFREDO MSc.
INSTITUCIÓN: UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
UNIDAD/FACULTAD: FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO:
FECHA DE PUBLICACIÓN: ABRIL / 2019 No. DE PÁGINAS: 67
ÁREAS TEMÁTICAS: ELECTROQUIMICA
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS: CORROSIÓN, POLÍMEROS CONDUCTORES, PIRROL, ELECTROSÍNTESIS
RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras):
La corrosión es un problema industrial importante, siendo la causa principal del deterioro acelerado de los metales y teniendo un importante impacto económico de las empresas, se estima anualmente un aproximado de 4% del Producto Interno Bruto (PIB) por lo que se ha buscado alternativas para la protección de los metales, siendo la electroquímica una aplicación tecnológica que a nivel mundial se encuentra en desarrollo. Existen diferentes estudios de los polímeros para uso industrial dentro de estos se encuentran los polímeros conductores. En esta investigación se utilizó el monómero polimérico pirrol para la producción del polímero conductor realizando una serie pruebas experimentales para encontrar temperatura, tiempo y concentración óptima para la obtención Polipirrol mediante el proceso de electrosíntesis por el método de cronopotenciometría (CP) y la capacidad anticorrosiva por método de potencial a circuito abierto (OCP); Se obtuvo los valores óptimos de: temperatura de 22ºC, tiempo promedio de 1500 segundos, concentración de 0.6 M y la variación de potencial eléctrico del metal de -0.54 V a -0.21 V, en estas condiciones se obtiene un buen recubrimiento para la protección de la corrosión.
ADJUNTO PDF: SI NO
CONTACTO CON AUTOR: Teléfono:
0995973758 E-mail:
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN: Nombre: Universidad de Guayaquil - Facultad de Ingeniería Química
Teléfono: 04-229-2949
E-mail: http://www.fiq.ug.edu.ec/
UNIDAD DE TITULACIÓN
II
III
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
ANEXO 6
CERTIFICADO PORCENTAJE DE SIMILITUD
Habiendo sido nombrado ING. ALFREDO LEAL CHANTONG, tutora del trabajo de
titulación certifico que el presente trabajo de titulación ha sido elaborado por VALDEZ
NAVARRO ARIANNA LIZBETH con C.I. 0930379169 con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la obtención del título de INGENIERO QUÍMICO.
Se informa que el trabajo de titulación: “RECUBRIMIENTO POR ELECTROLISIS PARA LA
PLASTIFICACIÓN DE SUPERFICIES METALICAS” ha sido orientado durante todo el
periodo de ejecución en el programa antiplagio (URKUND) quedando el 1% de coincidencia.
https://secure.urkund.com/view/47810794-421236-657897
IV
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
Guayaquil, 4 Abril del 2019
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR
ANEXO 11
V
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA ANEXO 12
UNIDAD DE TITULACIÓN
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA
PARA EL USO NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO
ACADÉMICOS
Yo, Arianna Lizbeth Valdez Navarro con C.I. No. 0930379169, certifico que los
contenidos desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “RECUBRIMENTO
POR ELECTRÓLISIS PARA LA PLASTIFICACION SUPERFICIES METÁLICAS” son
de mi absoluta propiedad y responsabilidad Y SEGÚN EL Art. 114 del CÓDIGO
ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS,
CREATIVIDAD E INNOVACIÓN*, autorizo el uso de una licencia gratuita intransferible y
no exclusiva para el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos, en favor
de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso del mismo, como fuera pertinente
__________________________________________
Arianna Valdez Navarro C.I. No. 0930379169
*CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN (Registro
Oficial n. 899 - Dic./2016) Artículo 114.- De los titulares de derechos de obras creadas en las instituciones de
educación superior y centros educativos.- En el caso de las obras creadas en centros educativos, universidades,
escuelas politécnicas, institutos superiores técnicos, tecnológicos, pedagógicos, de artes y los conservatorios
superiores, e institutos públicos de investigación como resultado de su actividad académica o de investigación tales
como trabajos de titulación, proyectos de investigación o innovación, artículos académicos, u otros análogos, sin
perjuicio de que pueda existir relación de dependencia, la titularidad de los derechos patrimoniales corresponderá a
los autores. Sin embargo, el establecimiento tendrá una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no
comercial de la obra con fines académicos.
VI
DEDICATORIA
Dedico este trabajo:
A Dios por ser mi fortaleza en todos los aspectos de mi vida.
A mi madre Ing. Qca. Mariana Navarro Almeida por su apoyo incondicional
durante mi carrera universitaria
A mis abuelos Carlos María Navarro (+) y Elvia Almeida Encalada (+) por
darme su amor y apoyo en todo momento de mi vida estudiantil.
Arianna Lizbeth Valdez Navarro
VII
AGRADECIMIENTO
A mi madre Ing. Qca. Mariana Navarro por su apoyo que me ha brindado en mi
formación profesional.
A mis tíos Nelly Falconez, Joselito Navarro, Luis Pazmiño (+) por su apoyo
brindado en el trascurso de mi carrera.
A mi tutor Ing. Alfredo Leal por su colaboración y asesoramiento en el trabajo
de titulación.
A los Ingenieros Químicos Franklin López y Lilya Casabona por su ayuda y
orientación en la realización de esta investigación.
Arianna Lizbeth Valdez Navarro
VIII
CONTENIDO
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA .............................................I
CERTIFICADO PORCENTAJE DE SIMILITUD ................................................................ III
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR REVISOR ........................................................................ IV
LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO NO
COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS ........................................ V
DEDICATORIA..................................................................................................................... VI
AGRADECIMIENTO ........................................................................................................... VII
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... XI
INDICE DE TABLAS .......................................................................................................... XIII
RESUMEN .......................................................................................................................... XIV
ABSTRACT ......................................................................................................................... XV
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 1
CAPÍTULO I ........................................................................................................................... 3
EL PROBLEMA ..................................................................................................................... 3
1.1 Planteamiento del problema ........................................................................................ 3
1.2 Formulación y sistematización del problema .......................................................... 3
1.2.1 Formulación del problema de investigación ..................................................... 3
1.2.2 Sistematización del problema de investigación ............................................... 3
1.3 Justificación de la investigación ................................................................................ 4
1.3.1 Justificación teórica ............................................................................................... 4
1.3.2 Justificación metodológica .................................................................................. 4
1.3.3 Justificación práctica ............................................................................................. 4
1.4 Objetivos ......................................................................................................................... 4
1.4.1 Objetivo general ...................................................................................................... 4
1.4.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 4
1.5 Delimitación de la investigación ................................................................................. 5
1.5.1 Delimitación temporal ............................................................................................ 5
1.5.2 Delimitación espacial ............................................................................................. 5
1.5.3 Delimitación del contenido ................................................................................... 5
1.6 Hipótesis ......................................................................................................................... 5
1.6.1 Variables independientes ...................................................................................... 5
1.6.2 Variables dependientes ......................................................................................... 6
1.6.3 Operacionalización de las variables ................................................................... 7
CAPÍTULO II .......................................................................................................................... 9
MARCO REFERENCIAL ...................................................................................................... 9
IX
2.1 Marco Teórico................................................................................................................. 9
2.1.1 Polímeros Conductores......................................................................................... 9
2.1.2. Síntesis de los polímeros conductores........................................................... 11
2.1.3 Propiedades de los polímeros conductores ................................................... 12
2.1.4 Corrosión ............................................................................................................... 12
2.1.5 Tipos de corrosión ............................................................................................... 13
Según el medio ........................................................................................................... 13
Según la morfología ................................................................................................... 14
2.1.7 Procesos contra la corrosión ............................................................................. 15
2.1.6 Polipirrol ................................................................................................................. 16
2.1.7 Electropolimerización del Polipirrol.................................................................. 16
2.1.8 Factores que influyen en la electropolimerización ........................................ 22
Electrolito ..................................................................................................................... 22
Solvente ....................................................................................................................... 22
Temperatura ................................................................................................................ 23
2.2 Marco Conceptual........................................................................................................ 23
2.3 Marco Contextual ......................................................................................................... 25
CAPÍTULO III ....................................................................................................................... 26
MARCO METODOLÓGICO ................................................................................................ 26
3.1 Nivel de investigación................................................................................................. 26
3.2 Diseño de investigación ............................................................................................. 26
3.3 Metodología de la investigación ............................................................................... 26
3.4 Materiales ...................................................................................................................... 26
3.6 Instrumental .................................................................................................................. 27
3.7 Material de apoyo ........................................................................................................ 27
3.8 Ingeniería básica aplicada ......................................................................................... 27
3.8.1 Cronoamperometría ............................................................................................. 28
3.8.2 Cronopotenciometría ........................................................................................... 28
3.8.3 Voltametría cíclica ................................................................................................ 28
3.8.4 Polarización Potenciodinámica ......................................................................... 29
3.8.5 Potencial de circuito abierto (OPC) ................................................................... 29
3.8.6 Proceso de ingeniería aplicada .......................................................................... 29
3.8.7 Preparación de soluciones ................................................................................. 30
3.8.8 Generación de la película polimérica ............................................................... 30
CAPITULO IV ....................................................................................................................... 32
MEDICION DE RESULTADOS Y VALIDACION DE RESULTADOS ............................ 32
X
4.1 Resultados .................................................................................................................... 32
4.1.1 Determinación del potencial eléctrico según la concentración .................. 32
4.1.2 Determinación del potencial eléctrico según la temperatura ...................... 38
4.1.3 Ensayos de corrosión .......................................................................................... 41
4.1.4 Cinética de electropolimerización ..................................................................... 43
4.2 Discusión ...................................................................................................................... 44
CAPITULO V ........................................................................................................................ 45
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 45
5.1 Conclusiones ................................................................................................................ 45
5. 2 Recomendaciones ...................................................................................................... 45
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 46
Anexos ................................................................................................................................. 50
XI
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 ESQUEMA DE LAS ESTRUCTURAS MONOMÉTRICAS DE LOS DISTINTOS
POLÍMEROS CONDUCTORES ........................................................................... 10
FIGURA 2 DOPADO TIPO-P ................................................................................... 10
FIGURA 3 DOPADO TIPO-N ................................................................................... 11
FIGURA 4 INICIO DE LA OXIDACIÓN DEL MONÓMERO ................................................ 17
FIGURA 5 CATIÓN RADICAL EN SUS DIFERENTES FORMAS DE RESONANCIA ............... 17
FIGURA 6 FORMACIÓN DEL DICATIÓN .................................................................... 18
FIGURA 7 DESPROTONACIÓN DEL DICATIÓN ........................................................... 18
FIGURA 8 RESONANCIA DEL DICATIÓN ................................................................... 19
FIGURA 9 FORMAS DE RESONANCIA DEL CATIÓN DÍMERO ........................................ 19
FIGURA 10 FORMACIÓN DEL TRÍMERO .................................................................. 19
FIGURA 11 ELECTROOXIDACIÓN ........................................................................... 20
FIGURA 12 ESTRUCTURA DEL POLIPIRROL............................................................. 20
FIGURA 13 ESTRUCTURA DEL POLÍMERO DOPADO .................................................. 21
FIGURA 14 DISEÑO DEL PROCESO ........................................................................ 31
FIGURA 15 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28°C .............................. 32
FIGURA 16 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22°C .............................. 32
FIGURA 17 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28°C .............................. 33
FIGURA 18 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22°C .............................. 33
FIGURA 19 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28°C .............................. 34
FIGURA 20 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22 °C ............................. 34
FIGURA 21 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28 °C ............................. 35
FIGURA 22 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22 °C ............................. 35
FIGURA 23 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28 °C ............................. 36
XII
FIGURA 24 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22 °C ............................. 36
FIGURA 25 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 28 °C ............................. 37
FIGURA 26 CRONOPOTENCIOMETRÍA A TEMPERATURA DE 22 °C ............................. 37
FIGURA 27 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,23% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,2 M ............................................................................ 38
FIGURA 28 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,35% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,2 M ............................................................................ 38
FIGURA 29 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,23% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,4 M ............................................................................ 39
FIGURA 30 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,35% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,4 M ............................................................................ 39
FIGURA 31 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,23% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,6 M ............................................................................ 40
FIGURA 32 ESTABILIDAD OPERACIONAL PARA EL ACERO 0,35% CON UNA
CONCENTRACIÓN AL 0,6 M ............................................................................ 40
FIGURA 33 COMPARACIÓN DE ENSAYOS DE OCP EN ACERO 0.23% ........................ 41
FIGURA 34 COMPARACIÓN DE ENSAYOS DE OCP EN ACERO 0.35% ........................ 41
FIGURA 35 COMPARACIÓN DE ENSAYO DE OCP EN ACERO 0.23%.......................... 42
FIGURA 36 COMPARACIÓN DE ENSAYO DE OCP EN ACERO 0.35%.......................... 42
FIGURA 37 FUENTE DE PODER POWER SUPPLY ..................................................... 50
FIGURA 38 POLIMERO PIRROL ............................................................................. 50
FIGURA 39 ELECTRODO DE TRABAJO AG/AGCL ..................................................... 50
FIGURA 40 LAMINA DE ACERO RECUBIERTA ........................................................... 51
FIGURA 41 LAMINA SUMERGIDA EN HCL ............................................................... 51
FIGURA 42 LAMINA SUMERGIDA EN NACL ............................................................. 51
XIII
INDICE DE TABLAS
TABLA 1 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ........................................................ 7
TABLA 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS PLACAS DE ACERO EN % EN PESO ............. 27
TABLA 3 PREPARACIÓN DE CONCENTRACIÓN ........................................................ 30
TABLA 4 CONDICIONES DE OPERACIÓN ................................................................. 31
XIV
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“ELECTROSINTESIS DE PIRROL (POLIMERO) PARA LA PROTECCION DE
SUPERFICIE METALICA BASE ACERO”
Autor: Valdez Navarro Arianna Lizbeth
Tutor (a): Ing. Alfredo Leal Chantong, MSc.
RESUMEN
La corrosión es un problema industrial importante, siendo la causa
principal del deterioro acelerado de los metales y teniendo un importante
impacto económico de las empresas, se estima anualmente un aproximado de
4% del Producto Interno Bruto (PIB)[1] por lo que se ha buscado alternativas
para la protección de los metales, siendo la electroquímica una aplicación
tecnológica que a nivel mundial se encuentra en desarrollo. Existen diferentes
estudios de los polímeros para uso industrial dentro de estos se encuentran los
polímeros conductores. En esta investigación se utilizó el monómero polimérico
pirrol para la producción del polímero conductor realizando una serie pruebas
experimentales para encontrar temperatura, tiempo y concentración óptima
para la obtención Polipirrol mediante el proceso de electrosíntesis por el
método de cronopotenciometría (CP) y la capacidad anticorrosiva por método
de potencial a circuito abierto (OCP); Se obtuvo los valores óptimos de:
temperatura de 22ºC, tiempo promedio de 1500 segundos, concentración de
0.6 M y la variación de potencial eléctrico del metal de -0.54 V a -0.21 V, en
estas condiciones se obtiene un buen recubrimiento para la protección de la
corrosión.
Palabras claves: Corrosión, polímeros conductores, pirrol, electrosíntesis
XV
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD DE TITULACIÓN
“PYRROLE ELECTROSYNTHESIS (POLYMER) FOR STEEL BASE METAL
SURFACE PROTECTION” Autor: Valdez Navarro Arianna Lizbeth
Tutor (a): Ing. Alfredo Leal Chantong, MSc.
ABSTRACT
Corrosion is an important industrial problem, being the main cause of the
accelerated deterioration of metals and having a significant economic impact of
the companies, an estimated approximately 4% of the Gross Domestic Product
(GDP) is estimated for the protection of metals, with electrochemistry being a
technological application that is currently under development. There are
different studies of polymers for industrial use within these are conducting
polymers. In this investigation, the polymeric monomer pyrrole was used for the
production of the conducting polymer, carrying out a series of experimental
tests to find the optimum temperature, time and concentration for obtaining
Polypyrrole by the process of electrosynthesis by the chronopotentiometry (CP)
method and the anticorrosive capacity by open circuit potential method (OCP);
The optimal values were obtained: temperature of 22ºC, average time of 1500
seconds, concentration of 0.6 M and variation of electric potential of the metal
from -0.54 V to -0.21 V, under these conditions a good coating is obtained for
the protection of the corrosion.
Keywords: Corrosion, conductive polymers, pyrrole, electrosynthesis
1
INTRODUCCIÓN
La corrosión metálica es esencialmente un proceso electroquímico que
da lugar a que el metal se transforme total o parcialmente pasando del estado
metálico al iónico. Para que exista corrosión es necesario que se establezca el
paso de una corriente eléctrica, entre zonas distintas de una superficie
metálica, en contacto con un electrólito. Un electrólito es una solución
cualquiera que contiene átomos o grupos de átomos cargados eléctricamente
llamados iones. Por ejemplo, el agua pura contiene en cantidades iguales de
iones hidrógeno cargados positivamente (H+) e iones oxidrilos cargados
negativamente (OH -). Por lo tanto, un electrólito puede ser agua natural, agua
salada, soluciones ácidas o alcalinas de una concentración cualquiera.
Los polímeros conductores también llamados metales sintéticos, la
mayoría son orgánicos y presentan enlaces deslocalizados, con frecuencia en
un grupo aromático, están hechos de sencillos plásticos y, por lo que combinan
la flexibilidad, la resistencia, elasticidad de los elastómeros con la conductividad
de un metal o de un polímero híbrido dopado, desde su descubrimiento (1970)
hasta la actualidad se encuentran en diferentes campos de aplicación entre
ellas destacan bacterias orgánicas, sensores químicos, diodos emisores de luz,
protección metálica anticorrosiva, los polímeros conductores que son obtenidos
por diferentes métodos electroquímicos a partir de polímeros, los más usados
son el furano, anilina, acetileno y pirrol siendo este último el más estudiado.
Ecuador posee variadas condiciones climáticas que permite un
crecimiento económico de pequeñas hasta grandes industrias, siendo uno de
ellos la industria de los metales, actualmente se utiliza mucho las
infraestructuras metálicas para la construcción, pero al igual que los equipos y
2
materiales construidos con metales tienden a oxidarse volviéndolos más
frágiles generando pérdidas económicas, se estima anualmente un aproximado
de 4% del Producto Interno Bruto (PIB) y contaminando al medio ambiente, por
lo que a través del tiempo se han desarrollado técnicas para disminuir o frenar
la corrosión por medio de tratamientos de recubrimiento.
El presente trabajo tiene como objetivo obtener un polímero conductor
por medio de electrosíntesis de un monómero para la protección metálica de
base acero utilizando el pirrol como monómero.
3
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
Dentro de un complejo industrial la mayor parte de los materiales usados
son los aceros, siendo los aceros de baja aleación los más propensos a una
degradación habitual por los agentes oxidantes de la corrosión, esta es una de
las causas de los daños de la economía de la industria que generan gastos
adicionales de ahí la importancia detener el proceso de la corrosión aunque no
de manera definitiva o que disminuya la velocidad de corrosión, en este ámbito
existe avances tecnológicos en las investigaciones de compuestos orgánicos e
inorgánicos como son los polímeros conductores por su propiedad redox y fácil
deposición.
1.2 Formulación y sistematización del problema
1.2.1 Formulación del problema de investigación
¿Qué recubrimiento se pueden dar a los aceros con bajo contenido de
carbono que son propensos a sufrir corrosión?
1.2.2 Sistematización del problema de investigación
¿Cómo se obtiene el polipirrol para el recubrimiento de metales base
aceros?
¿Cómo las piezas recubiertas con polipirrol responden las condiciones
ambientales (heliofania y salinidad)?
¿De qué manera se demuestra que la película de polipirrol cumple con
la protección que se requiere en los aceros?
4
1.3 Justificación de la investigación
1.3.1 Justificación teórica
Dentro de las aplicaciones de los polímeros conductores (PCs) está la
protección de estructuras metálicas contra la corrosión formando una película
aislante entre el metal y el medio agresivo, considerando que el acero es uno
de los metales más usados en diferentes medios es fundamental su protección
1.3.2 Justificación metodológica
El presente trabajo tiene carácter investigativo y experimental por lo cual
se estableció el uso de un método electroquímico que permita la formación y
deposición de la película polimérica y determinando los factores que interviene
como la concentración del electrolito y el voltaje.
1.3.3 Justificación práctica
Para el presente proyecto se ha empleado las técnicas electroquímicas que
se han utilizado para la generación de partículas poliméricas como la
cronopotenciometría (CP), la cronoamperometría (CA), y la Voltametría cíclica
(CV) sobre todas las variables y verificar la validez del método
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general
Obtener un polímero conductor a partir de un monómero (PIRROL), para
protección de superficies metálicas base acero.
1.4.2 Objetivos específicos
Identificar las distintas variables sobre el proceso de electrodeposición y
proceder a su análisis.
Determinar la electrosíntesis del monómero
5
Detallar el proceso para la obtención del recubrimiento polipirrol en
acero.
Evaluar las propiedades anticorrosivas de las películas del polipirrol
obtenido
1.5 Delimitación de la investigación
1.5.1 Delimitación temporal
Para llevar a cabo el proceso de investigación y ensayos se realiza en un
lapso de tiempo de 12 meses a partir de la aprobación del tema.
1.5.2 Delimitación espacial
Los ensayos del presente trabajo se llevarán a cabo en el Laboratorio de
Física y Química de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de
Guayaquil
1.5.3 Delimitación del contenido
El proyecto inicia con la investigación de la importancia de los polímeros
conductores en el avance tecnológico y en el proceso de anticorrosión de los
metales, para posteriormente obtenerlo por medio de la electroquímica.
Teniendo como fuente los artículos académicos y científicos de universidades
internacionales.
1.6 Hipótesis
Partiendo de la polimerización del pirrol será posible producir una capa
protectora en la superficie del metal obtenida del proceso de electrosíntesis.
1.6.1 Variables independientes
Potencial Eléctrico
Cinética de reacción
6
1.6.2 Variables dependientes
Temperatura
Tiempo
Concentración
7
1.6.3 Operacionalización de las variables
Tabla 1 Operacionalización de variables
Tipo de
variables Variables Definición
Unidad de
medición
Instrumento de
medición
Independiente
Potencial
Eléctrico
Magnitud que nos permite obtener una
medida del campo eléctrico en un punto
a través de la energía potencial
electrostática que adquirirá la carga en
dicho punto
Voltios (V)
Potenciómetro
Thermo Scientific
modelo Orion 3 Star
Velocidad de
recubrimiento
Magnitud que relaciona el cambio de
posición o desplazamiento con a través
del tiempo
mm/seg
8
Dependientes
Tiempo Periodo en el cual se realiza una acción
o acontecimientos segundos Cronometro
Temperatura Magnitud que indican los niveles
térmicos del cuerpo
Grados
centígrados
(ºC)
Termómetro
Concentración
Sustancia que contiene aniones y
cationes y es capaz de conducir la
corriente eléctrica
Molaridad
[M]
Elaborado por la autora
9
CAPÍTULO II
MARCO REFERENCIAL
2.1 Marco Teórico
2.1.1 Polímeros Conductores
Los polímeros conductores (PC’s) fueron descubiertos por el
investigador Hideki Shirakawa cuando realizaba una síntesis de poliacetileno
agregando más catalizador de lo necesario lo que dio importantes cambios en
la estructura del polímero como el inusual aumento de conductividad, lo que
capto su atención y junto a Alan MacDiarmid y Alan Heeger dieron a conocer
las propiedades conductoras de algunos materiales poliméricos de su estudio,
con este aporte obtuvieron el Premio Nobel en Química en el 2000.[2] [3]
Un polímero conductor (PC’s) tiene una cadena carbonada con dobles
enlaces alternos o conjugados, dando a sus electrones cierta libertad de
movimiento por lo que cuando se extrae un electrón de uno de estos dobles
enlaces se genera un radical catión, también llamado polarón, y al seguir
oxidando se puede arrancar un segundo electrón para formar un dicatión, o
bipolarón, que es muy estable. Esta carga positiva puede desplazarse por la
cadena pasando de un doble enlace a otro conduciendo de este modo la
electricidad. La extracción de electrones u oxidación, puede ser continuada
formándose más de un catión a lo largo de la cadena polimérica. [4]
Los polímeros conductores que más han sido estudiados son el
poliacetileno (PA), polianilina (PANI), polipirrol (PPy) y politiofeno (PTh), cuyas
estructuras se muestran en la Figura 1.[5] [6]
10
Figura 1 Esquema de las estructuras monométricas de los distintos polímeros
conductores
Las propiedades conductoras se han aplicado en diferentes campos
tecnológicos por ejemplo los biosensores[7], músculos artificiales, dispositivos
OLED (Organic Light Emitting Diodes), OSC (Organic Solr Cells) [8], formación
de películas protectoras de metales frente a la corrosión[9]
La conductividad de estos polímeros se debe a la adición de sustancias
químicas conocido como dopantes, estos dopajes pueden darse en dos
procesos. El dopado tipo-p es cuando los electrones salen de la cadena
polimérica y entra un anión para mantener la neutralidad. El dopado tipo-n es
contraria al anterior dopaje, en lugar de salir los electrones ingresan a la
cadena polimérica para luego incorporar un catión como se muestran en las
Figuras 2 y 3 [7][10]
Figura 2 Dopado tipo-p
11
Figura 3 Dopado tipo-n
2.1.2. Síntesis de los polímeros conductores
La síntesis de los polímeros conductores se puede dar de dos formas,
por la polimerización química, su aplicación se la realiza cuando se necesita
una producción a gran escala y, polimerización electroquímica que da una
síntesis de películas delgadas. [11]
Síntesis química
Se da por medio de una reacción entre un agente oxidante muy fuerte y
el monómero, estos agentes oxidantes pueden ser iones férricos o peróxidos
de hidrogeno, cuando se oxidan las unidades del monómero se combinan unas
con otras formando el polímero sólido que se precipita, para que se realice
directamente sobre la superficie se necesita un método llamado polimerización
en fase vapor, una de sus ventajas es que puede modificar covalentemente la
cadena de los PCs pero las síntesis en superficies es limitada[12] y no se
pueden obtener películas delgadas
Síntesis electroquímica
Esta polimerización tiene lugar cuando la densidad de la corriente o el
potencial anódico se aplica al sustrato que se encuentra sumergido en solución
que contiene al monómero, este proceso es el más sencillo cuando se desea
12
tener películas poliméricas en la superficie de un metal y el espesor de las
mismas se puede controlar variando el tiempo[10], una desventaja de este
método es la modificación covalente da la cadena es complicada y la remoción
de polímero conductor es difícil [13]
La síntesis puede generar que las propiedades del polímero sufran
cambios relacionados con el estado de oxidación que posee el polímero como
puede ser la porosidad, el color o el volumen [14]
2.1.3 Propiedades de los polímeros conductores
Los polímeros conductores combinan diferentes propiedades como las
mecánicas que se deben de tomar en cuenta al diseñar dispositivos
electrónicos en algunos casos como en el polipirrol esta propiedad mejora
cuando se disminuye una de las condiciones de síntesis que es la temperatura,
otra propiedad es la conductividad no solo electrónica sino también iónica, este
tema es complejo ya que depende de las variables experimentales,
particularmente la naturaleza del solvente y el monómero utilizado pero la
propiedad más atractiva para las industrias es la protección que brinda a los
metales contra la corrosión, sustituyendo la protección convencional y siendo
más amigable con el medio ambiente, los primeros trabajos de este tipo fueron
realizados Mengoli y DeBerry que pudieron observar de manera efectiva la
protección del acero y del hierro, no solo actúa como barrera física, también
estabiliza el potencial del metal actuando como un inhibidor de la corrosión[10]
[9]
2.1.4 Corrosión
La corrosión es un término que se usa para definir o describir una
transformación o proceso de deterioro inestable que sufre los materiales debido
13
al cambio de propiedades y tomando en cuenta solo la corrosión metálica
donde la reacción de oxidación y reducción ocurren por reacciones químicas o
electroquímicas influenciadas por agentes agresivos que los rodea como el
agua de mar, el medio ambiente, los vapores de ácidos, entre otros.
La corrosión es un proceso natural en el cual los metales tienden a
volver a su estado de menor energía, el agua y los oxígenos disueltos en
medios acuosos son sustancias que facilitan este proceso. En la corrosión se
estudia la velocidad en la que se deteriora los materiales y los diferentes
métodos para controlarla por lo que se ha podido clasificar la corrosión según
el medio e que se desarrolla o según su morfología[15]
2.1.5 Tipos de corrosión
Según el medio
Corrosión Química: La corrosión química se da por la acción de gases o
líquidos no electrolíticos formando películas de óxido, pero depende del metal o
aleación en la que se forme una capa de oxidación la cual puede ser resistente
o débil, en caso de las aleaciones con base de cobre dan una coloración
verduzca. Atacan en los puntos más críticos de energía que en el tiempo
generan grietas como fugas o fallas en piezas metálicas [16]
Corrosión Electroquímica: La corrosión electroquímica es la más frecuente a
temperatura ambiente y la más seria, ocurre cuando dos metales de diferente
electronegatividad se ponen en contacto por medio de un electrolito, dando una
identificación de las regiones anódicas y catódicas, la región anódica es el
metal más electronegativo siendo este el que libera electrones que se dirigen a
la región catódica. Al momento de darse este tipo de corrosión se pueden
comprobar las leyes de Faraday. [15][17][18]
14
Según la morfología
Cuando la corrosión presente en el metal se quiere evaluar, se la clasifica
según su forma.
Corrosión Uniforme: Se extiende de manera homogénea creando una capa
sobre la superficie de igual profundidad en todos los puntos. Permite calcular la
vida útil del metal de manera fácil, se da normalmente en estructuras planas
donde la corrosión natural prevalece.
Corrosión en placas: Este tipo de corrosión se extiende por zonas sobre el
metal dando una apariencia en el tiempo de corrosión uniforme, se la considera
un caso intermedio entre corrosión localizada y uniforme
Corrosión por picado: Se genera en lugares específicos y aislados del metal,
dirigiéndose hacia el interior formando canales microscópicos que avanzan con
bastante rapidez, se suele presentar en tuberías de gas o de oleoducto entre
otros líquidos, este tipo de corrosión al igual que el intergranular y fisurante
están consideradas peligrosas ya que la cantidad de material afectado no tiene
una relación con los inconvenientes posibles.
Corrosión intergranular: Forma de corrosión que se produce en los bordes
del metal o aleación de menor reactividad presentándose como una franja
extendiéndose por todo el metal dejándolo inutilizada, esta corrosión se la
asocia normalmente con segregaciones químicas o precipitaciones de fase
especifica
Corrosión fisurante: Conocido también como corrosión de baja tensión, este
tipo de corrosión se da cuando en el metal actúan de manera simultánea un
esfuerzo periódico o alternado y la acción de un medio corrosivo. En promedio
la propagación está dada entre 1 y 10 mm/hora siendo los tubos
15
intercambiadores de calor, sistemas de destilación, aceros con cloruros los
equipos mayormente afectados. [15][19]
2.1.6 Costos de Corrosión
2.1.7 Procesos contra la corrosión
Para disminuir el efecto de la corrosión se puede limitar la velocidad de
las reacciones electroquímicas y/o disminuyendo la velocidad de transferencia
de la carga iónica, por lo cual se debe evitar que exista un electrolito que actúe
como medio conductor.
Existen diferentes sistemas de protección como los recubrimientos
metálicos como el galvanizado que es el más empleado para la protección de
vallas, tornillos, vigas entre otros aceros, otras protecciones es la catódica ya
sea empleando un ánodo de sacrificio, aplicando un metal con el potencial es
muy negativo que se va destruyendo con el paso del tiempo y debe ser
reemplazado, o por diferencial de potencial eléctrico.
Otra forma de reducir la velocidad de corrosión es mediante el uso de
inhibidores que actúan como catalizadores disminuyendo la velocidad de la
corrosión por lo general son moléculas orgánicas que forman una película
protectora disminuyendo o eliminando el oxígeno del metal impidiendo su
oxidación, un ejemplo son las sales de cromo utilizada en los radiadores de los
automóviles.[17][20]
El recubrimiento no metálico también es una de las usadas por lo
económico y que tienen ciertas ventajas como son las pinturas y los barnices
aplicando un espesor suficiente para para evitar el contacto directo con el
medio agresivo, teniendo también los esmaltes y cerámicos que tienen ventajas
al resistir temperaturas elevadas, dentro de este grupo de recubrimientos no
16
metálicos los más novedosos son los polímeros conductores (PCs), porque no
solo constituyen una barrera física, sino que también pueden estabilizar el
potencial del metal en la región pasiva o desacelerar la disolución del metal, es
decir actuar como un inhibidor de la corrosión [21][22].
2.1.6 Polipirrol
Uno de los heterociclos π-excedentes es el pirrol ya que poseen
estructuras resonantes con una densidad de carga negativa sobre sus átomos
de carbono, a su vez presenta un carácter anfótero ya que se puede comportar
como una base o un ácido. [23]
El polipirrol se obtiene de la oxidación del pirrol (C4H5N), es uno de los
PCs más estudiados por presentar una alta conductividad eléctrica, estabilidad
térmica y resistencia a la corrosión, es de fácil obtención ya que puede formase
en soluciones acuosas y con solventes orgánicos [11].
2.1.7 Electropolimerización del Polipirrol
El proceso que se utiliza para explicar la electropolimerización del pirrol
la dio a conocer Diaz[24], en este proceso el monómero pasa por varias fases o
etapas de reacción hasta llegar al polímero dopado requerido en la superficie
del electrodo. El proceso consiste en:
Fase 1
Se inicia la polimerización en el momento que comienza la oxidación del
monómero en la superficie del electrodo con un potencial eléctrico (Ep), dando
como resultado un catión radical R
17
Figura 4 Inicio de la oxidación del monómero
Este catión radical tiene formas de resonancia distintas y dependiendo
de su reactividad tiene distintas reacciones, si es estable puede formar
productos solubles con un peso molecular bajo, si es inestable reacciona cerca
del electrodo con el anión o el solvente de manera rápida al igual que la estable
da productos de bajo peso molecular, en este caso la forma c es la que posee
la densidad más alta de electrones desapareados en la posición α.
Figura 5 Catión radical en sus diferentes formas de resonancia
Fase 2
El catión radical de la forma resonante c se acopla a otro igual en la
posición α para formar un dicatión como podemos ver en la figura 6.
18
Figura 6 Formación del dicatión
Fase 3
En esta fase ocurre la desprotonación de la estructura del dicatión dando
como resultado un dímero aromático (f).
Figura 7 desprotonación del dicatión
Fase 4
En la superficie del electrodo continua la electropolimerización
produciendo la electrooxidación del dímero (f) produciendo un radical, el
electrodo desapareado se acomoda en dos unidades del monómero, esta
estructura tiene un potencial menor al del monómero por lo que se oxida más
fácil con el potencial aplicado, como resultado se obtiene la estructura (g). La
estructura predominante de las formas de resonancia del catión radical es la (i)
19
Figura 8 Resonancia del dicatión
Figura 9 Formas de resonancia del catión dímero
Fase 5
En la superficie del electrodo un exceso de cationes radicales
monoméricos (a) asegura el acople que predomina sean las posiciones α, la
forma (c) y la forma (i) se relacionan dando un catión trimétrico y al
desprotonarse se obtiene el trímero
Figura 10 Formación del Trímero
20
Fase 6
Al producirse la electrooxidación del trímero (l) se obtiene un catión
radical (m). Las posiciones α y β del trímero participan en las reacciones de
acoplamiento, teniendo en cuenta de que la posición β es más inaccesible el
acoplamiento de α es el que sigue predominando, pero a medida que se va
dando la descolocación de los electrones desapareados se va formando
uniones en la posición β. Mientras más larga es la cadena más uniones de la
posición β se van dando ya que estas son las responsables de la cristalinidad
del PPy.
Figura 11 Electrooxidación
Fase 7
Continua la secuencia vista en las fases anteriores: oxidación,
acoplamiento y desprotonación hasta que obtenemos como producto final el
polímero.
Figura 12 Estructura del polipirrol
21
Fase 8
El polímero final se encuentra en estado oxidado y dopado por la
incorporación de aniones para mantener el balance de cargas. Considera que
una carga positiva se encuentra deslocalizada cada 3 o 4 unidades monómeras
siendo el dopante aniónico quien abarca estas cantidades quedando un
esquema como se muestra en la Figura 13 siendo A el anión del electrolito y n
la cantidad de veces que se repite las unidades monómeras.
Figura 13 Estructura del polímero dopado
Existen otros mecanismos para la electropolimerización de los polímeros
conductores, estos métodos cambian las primeras partes del mecanismo de
Diaz e indicando de que la cadena del polímero crece en la misma secuencia
que él consideró (la perdida de dos electrones y el acoplamiento)
22
La cinética de las fases de reacción fue realizada en el software
CHEM3D en el que se aprecia la dinámica molecular en tiempo real, que se
puede observar en el CD adjunto.
2.1.8 Factores que influyen en la electropolimerización
Existen variables que influyen al proceso de electropolimerización de los
polímeros conductores en especial del Polipirrol:
Electrolito
En gran medida el electrolito puede afectar la morfología y
características físicas del polipirrol por lo que se debe considerar la
concentración, la naturaleza y la solubilidad, si se elegir un electrolito
nucleofílico este no permite que se lleve a cabo la polimerización.[22]
Es importante la concentración del electrolito, mientras mayor sea la
concentración, mayor será la concentración del dopado por lo tanto la
conductividad aumenta.[25]
Solvente
Un parámetro que influye en la polimerización del polímero es la
naturaleza del solvente a utilizarse, ya que para obtener eficientemente la
película de polipirrol, este debe tener una alta conductividad iónica lo que evita
las repulsiones en el acoplamiento.
Anteriormente se han preparado en soluciones acuosas, líquidos iónicos
y solventes orgánicos.[26][27] Generalmente los solventes acuosos requieren
que el electrolito tenga concentraciones altas para llegar a la conductividad
estimada, se ha utilizado mucho el acetonitrilo para las electropolimerizaciones
de los polímeros conductores, pero no es el más recomendable para sintetizar
polipirrol ya que dificulta la desprotonación durante la polimerización[25] sin
23
embargo Zhou y Heinze estudiaron el efecto que tendían si se le agrega agua
logrando con el 1% de agua buenas condiciones de electropolimerización[28]
Temperatura
La electropolimerización del polipirrol es un proceso de fases o etapas
donde una directa influencia en la energía de activación de cada una de estas
es la temperatura ya que se ha demostrado que tiene influencia en la
conductividad, las características mecánicas de la película y las propiedades
redox. De manera general cuando la temperatura de polimerización disminuye
la conductividad aumenta.[25]
A temperaturas bajas las películas preparadas son más homogéneas y
menos rugosas comparadas con las que se prepararon a temperaturas más
altas explicando que a mayor temperatura las reacciones secundarias son
producidas que causan defectos estructurales.[29]
2.2 Marco Conceptual
Polímero conductor
También llamados metales sintéticos, la mayoría son orgánicos y
presentan enlaces deslocalizados, con frecuencia en un grupo aromático, están
hechos de sencillos plásticos y, por lo que combinan la flexibilidad, la
resistencia, elasticidad de los elastómeros con la conductividad de un metal o
de un polímero híbrido dopado[30][4]
Pirrol
Compuesto orgánico aromático heterocíclico, un anillo de cinco miembros
con formula C4H5N poseen muy baja basicidad en comparación con las aminas
comunes o compuestos aromáticos como la piridina por la deslocalización
24
electrónica del par solitario del átomo de nitrógeno, experimenta la substitución
electrofílica predominante en la 2ª y 5ª posición.[31]
Potencial eléctrico (v)
Punto es el trabajo a realizar por unidad de carga para mover
dicha carga dentro de un campo electrostático desde el punto de referencia
hasta el punto considerado, ignorando el componente irrotacional del campo
eléctrico. En otras palabras, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa
para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el
punto considerado, en contra de la fuerza eléctrica y a velocidad constante
Electroquímica
Reacciones químicas que se dan en la interfaz de un conductor eléctrico
(llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un
conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos
especiales, un sólido
Si las reacciones químicas son provocadas por una diferencia de
potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En
cambio, si la diferencia de potencial eléctrico es creada como consecuencia de
la reacción química, se conoce como acumulador de energía eléctrica, también
llamado batería o celda galvánica.
Corrosión
Tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma de mayor
estabilidad o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada
por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar
25
dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en
contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión.
Cinética de reacción
Estudia de las velocidades de las reacciones químicas y de los
mecanismos que se llevan a cabo, introduce la variable tiempo en el estudio de
las reacciones químicas y estudia el camino que siguen los reactivos para
convertirse en productos.
2.3 Marco Contextual
En nuestro país el acero es un metal ampliamente utilizado en diferentes
áreas, lo vemos día a día como en cascos de buques, puentes, estanques, etc.,
que al estar expuestos a diferentes condiciones ambientales se genera una
corrosión y debido a esto su deterioro es más rápido.
Se han realizado grandes e importantes avances en la ingeniería
química y electroquímica en la protección de metales, referente al uso de los
polímeros conductores en diferentes áreas sobre todo en problemas
industriales como la corrosión, además los polímeros conductores son de fácil
obtención es rápida y poseen flexibilidad y elasticidad y pueden ser aplicables
en diferentes tecnologías.
26
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
3.1 Nivel de investigación
El presente trabajo de investigación es descriptivo ya que se establece
una relación causa-efecto entre el potencial eléctrico y la cinética de reacción
para la polimerización sobre las variables dependientes temperatura, tiempo y
concentración en la electrosíntesis.
3.2 Diseño de investigación
En este proyecto de se realizó una investigación experimental el cual
consiste en someter laminas metálicas base acero, a unas determinadas
condiciones de temperatura, tiempo y concentración para observar los efectos
que se producen en las láminas y su posterior análisis
3.3 Metodología de la investigación
La metodología utilizada es de carácter exploratoria, experimental y
cualitativa. El proceso experimental consta de varias pruebas experimentales
para obtener un polímero conductor partiendo de la electrosíntesis del Pirrol,
durante la cual se monitoreó la cantidad de voltaje transmitido entre las celdas
y la concentración del electrolito manteniendo la temperatura constante
3.4 Materiales
En la parte experimental de este proyecto se utilizaron diferentes
laminas de platino (Pt) y de acero al carbono, teniendo ambas placas las
siguientes medidas, 4 cm de ancho por 10 cm de largo.
27
Las laminas de acero al carbono tienen las siguientes proporciones de
elementos:
Tabla 2 Composición Química de las placas de acero en % en peso
%C %Mn %P %S %Si %Mo %Ni %Al %Co %Cu %Cr
0,35 0,8 0,04 0,05 0,6 1,86 10,35 0,023 0.24 0,28 12,23
0,23 0,6 0,04 0,05 0,3 1.86 10,34 0,0193 0,17 0,23 10,75
Fuente NTE INEN-ISO 3325
3.5 Reactivos
Los reactivos utilizados en las pruebas experimental son: Pirrol (C4H5N)
con un grado de pureza del 98% adquirido de la marca Sigma Aldrich, el ácido
oxálico (C2H2O4), el ácido clorhídrico (HCl) y Cloruro de sodio (NaCl) adquirido
en laboratorio Luque.
3.6 Instrumental
La fuente de poder Power Supply utilizada para la variación de voltaje en
el proceso experimental con un amperaje de 2A, Potenciómetro Thermo
Scientific modelo Orion 3 Star, equipo que realizará la lectura de los
potenciales eléctricos por medio del electrodo de referencia Ag/AgCl y un
cronómetro.
3.7 Material de apoyo
Se necesitó material de laboratorio como Matraz Erlenmeyer, micro-
pipetas, espátula, balanza digital y agua destilada
3.8 Ingeniería básica aplicada
Las películas poliméricas conductoras desde su descubrimiento se han
obtenido por diferentes técnicas básicas de electroquímica las cuales son:
28
cronopotenciometría (CP), cronoamperometría (CA) y voltametría cíclica (CV),
para comprobar de la efectividad de las películas poliméricas se tienen las
siguientes técnicas: Polarización Potenciodinámica, Potencial de Circuito
Abierto (OCP)
3.8.1 Cronoamperometría
Este procedimiento aplica el diferencial de potencial al electrodo de
trabajo y se registra la corriente en función del tiempo. Se inicia con un
potencial donde no se dé la oxidación produciendo un reordenamiento de
cargas en las fases de reacción, teniendo un exceso de carga en el lado del
metal que se contrarresta de parte del electrolito con igual carga, pero de signo
opuesto. [32]
3.8.2 Cronopotenciometría
Esta técnica se aplica haciendo un escalón de corriente y se va
registrando el cambio de potencial eléctrico en función del tiempo[32], este
cambio de potencial permite el monitoreo del proceso de la
electropolimerización generando un gráfico de cada experimento según las
condiciones que se impongan.
3.8.3 Voltametría cíclica
En esta técnica se analiza la variación de la corriente a medida que se
modifica el potencial, la variación en el tiempo es lineal, en otras palabras, es
aplicar un potencial de barrido al electrodo de trabajo iniciando con un valor
potencial eléctrico inicial (Ei) hasta llegar un valor final (Ef). Esta técnica
permite repetir el ciclo las veces que se necesite.[33]
29
3.8.4 Polarización Potenciodinámica
Esta técnica de estudio de corrosión localizada consiste en variar el
potencial del electrodo de trabajo a través del tiempo con una determinada
velocidad de barrido mientras que se registra la variación de corriente la cual
incrementa considerablemente y se lo comprueba mediante la observación de
un bucle de histéresis cuando se invierte el sentido del barrido.
3.8.5 Potencial de circuito abierto (OPC)
También denominado potencial de corrosión, esta técnica registra el
potencial del electrodo de trabajo en función del tiempo sin la circulación de
corriente por el sistema, esto proporciona información sobre la estabilidad del
sistema en el momento que se lo sumerge a una solución que contiene iones
agresivos.
En los ensayos con polímeros conductores se emplea para evaluar el
grado de protección que brinda el recubrimiento.
3.8.6 Proceso de ingeniería aplicada
El proceso del recubrimiento de inicia con un pretratamiento a las
láminas de acero, siendo estas los electrodos donde se lleva a cabo la
electropolimerización, con papel esmeril 120 y posterior enjuague con acetona.
Para el contra electrodo se utiliza una lámina de platino (Pt) que tiene
como objetivo conducir la corriente desde la fuente de poder por medio de un
electrolito en el cual ambas láminas estarán sumergidas.
Para medir el potencial se usa un electrodo de referencia en este caso
Ag/AgCl que mide la diferencia del potencial entre él mismo y el electrodo de
trabajo dando una lectura cada cierto tiempo por medio del potenciómetro
30
3.8.7 Preparación de soluciones
Las soluciones para los ensayos electroquímicos y evaluación de su
capacidad protectora fueron preparadas a partir de reactivos grado analítico.
Se preparó soluciones de ácido oxálico (electrolito) en las siguientes
concentraciones: 0.2M ,0.4 M y 0.6 M según la tabla adjunta
Tabla 3 Preparación de concentración del ácido oxálico
Concentración en 100 ml C2H2O4 ( pm = 90.03)
0.2 M 2.5213 g
0.4 M 5.0427 g
0.6 M 7.5640 g
Elaborado por la autora
La solución para el ensayo de corrosión se utilizó ácido clorhídrico con
una concentración de 0.4 M y solución de cloruro de sodio a 0.4 M.
3.8.8 Generación de la película polimérica
La generación de la película polimérica se llevó a cabo una celda
electroquímica, en la cual se colocó en el centro el electrodo de referencia, a la
izquierda el contra electrodo y el electrodo de trabajo a la derecha con una
distancia aproximada de 2 cm, como se muestra en la figura 14.
31
Elaborado por la autora
Figura 14 Diseño del proceso
Una vez estructurada la celda electroquímica se procedió a la
modificación las condiciones de obtención de la película polimérica variando
tiempo, temperatura y concentración como se muestra en la tabla 4
Tabla 4 Condiciones de operación
Tiempo 1200 segundos
1800 segundos
Temperatura 28 ºC
22 ºC
Concentración
0.2 M
0.4 M
0.6 M
Elaborado por la autora
Todos los experimentos se realizaron por duplicado seleccionando los
diferentes valores de las variables considerando las condiciones del proceso.
32
CAPITULO IV
MEDICION DE RESULTADOS Y VALIDACION DE RESULTADOS
4.1 Resultados
4.1.1 Determinación del potencial eléctrico según la concentración
Según la concentración del ácido oxálico al 0,2 M al acero al carbono
0,23%
Elaborado por la autora
Figura 15 Cronopotenciometría a temperatura de 28°C
Elaborado por la autora
Figura 16 Cronopotenciometría a temperatura de 22°C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E(V
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,23%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundo)
Acero 0,23%
prueba 1
prueba 2
33
Según la concentración del ácido oxálico al 0,4 M al acero al carbono
0,23%
Elaborado por la autora
Figura 17 Cronopotenciometría a temperatura de 28°C
Elaborado por la autora
Figura 18 Cronopotenciometría a temperatura de 22°C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
aje)
Tiempo (segundos)
Acero 0,23%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,23%
prueba 1
prueba 2
34
Según la concentración del ácido oxálico al 0,6 M al acero al carbono
0,23%
Elaborado por la autora
Figura 19 Cronopotenciometría a temperatura de 28°C
Elaborado por la autora
Figura 20 Cronopotenciometría a temperatura de 22 °C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
35
Según la concentración del ácido oxálico al 0,2 M al acero al carbono
0,35%
Elaborado por la autora
Figura 21 Cronopotenciometría a temperatura de 28 °C
Elaborado por la autora
Figura 22 Cronopotenciometría a temperatura de 22 °C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (V
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
36
Según la concentración del ácido oxálico al 0,4 M al acero al carbono
0,35%
Elaborado por la autora
Figura 23 Cronopotenciometría a temperatura de 28 °C
Elaborado por la autora
Figura 24 Cronopotenciometría a temperatura de 22 °C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
aje)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
37
Según la concentración del ácido oxálico al 0,6 M al acero al carbono
0,35%
Elaborado por la autora
Figura 25 Cronopotenciometría a temperatura de 28 °C
Elaborado por la autora
Figura 26 Cronopotenciometría a temperatura de 22 °C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
aje)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
prueba 1
prueba 2
38
4.1.2 Determinación del potencial eléctrico según la temperatura
Según la concentración del ácido oxálico al 0,2 M
Elaborado por la autora
Figura 27 Estabilidad operacional para el acero 0,23% con una concentración
al 0,2 M
Elaborado por la autora
Figura 28 Estabilidad operacional para el acero 0,35% con una concentración
al 0,2 M
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempos (segundos)
Acero 0,23%
T=28°C
T=22°C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
T=28°C
T=22°C
39
Según la concentración del ácido oxálico al 0,4 M
Elaborado por la autora
Figura 29 Estabilidad operacional para el acero 0,23% con una concentración
al 0,4 M
Elaborado por la autora
Figura 30 Estabilidad operacional para el acero 0,35% con una concentración
al 0,4 M
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 E
(vo
ltio
s)
Tiempos (segundos)
Acero 0,23%
T=28°C
T=22°C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,35%
T=28°C
T=22°C
40
Según la concentración del ácido oxálico al 0,6 M
Elaborado por la autora
Figura 31 Estabilidad operacional para el acero 0,23% con una concentración
al 0,6 M
Elaborado por la autora
Figura 32 Estabilidad operacional para el acero 0,35% con una concentración
al 0,6 M
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 E
(vo
ltio
s)
Tiempos (segundos)
Acero 0,23%
T=28°C
T=22°C
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
E (v
olt
ios)
Tiempo (segundos)
Acero 0,23%
T=28°C
T=22°C
41
4.1.3 Ensayos de corrosión
Potencial a circuito abierto (OCP) en ácido clorhídrico 0.4M
Elaborado por la autora
Figura 33 Comparación de ensayos de OCP en acero 0.23%
Elaborado por la autora
Figura 34 Comparación de ensayos de OCP en acero 0.35%
-0,35
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
E (v
olt
ios)
Tiempo (semanas)
Acero 0,23%
Ep T=28
Ep T=22
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
E (v
olt
ios)
Tiempo (semanas)
Acero 0,35%
Ep T=28
Ep T=22
42
Potencial a circuito abierto (OCP) en solución salina de cloruro de sodio
0e.4M
Elaborado por la autora
Figura 35 Comparación de ensayo de OCP en acero 0.23%
Elaborado por la autora
Figura 36 Comparación de ensayo de OCP en acero 0.35%
-0,9
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
E (v
olt
ios)
Tiempo (semana)
Acero 0,23%
Ep T=28
Ep T=22
Acero sin recubri
-0,900
-0,800
-0,700
-0,600
-0,500
-0,400
-0,300
-0,200
-0,100
0,000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
E (v
olt
ios)
Tiempo (semana)
Acero 0,35%
Ep T=28
Ep T=22
Acero sin recubrir
43
4.1.4 Cinética de electropolimerización
En el proceso de cronopotenciometría se pudo obtener la velocidad de
recubrimiento del electrodo por medio de un medidor de espesor de capas en
milímetros con el cual se obtuvo un espesor promedio para los diferentes
tiempos.
Para un tiempo de 1200 segundos se obtuvo un espesor de:
Teniendo una velocidad de recubrimiento de:
Para un tiempo de 1800 segundos se obtuvo un espesor de:
Teniendo una velocidad de recubrimiento de:
44
El potencial eléctrico final del acero al carbono de 0,23% fue de -0,21 V y
-0, 18 V con temperaturas de 28°C y 22°C respectivamente y para el acero al
carbono de 0,35% fue de -0,22 V y -0,16 V con temperaturas de 28°C y 22°C
4.2 Discusión
Los estudios doctorales realizados por González M. (2013) sobre
“ELECTROSÍNTESIS DE POLÍMEROS CONDUCTORES SOBRE
MATERIALES BASE HIERRO. CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES DE
LAS PELÍCULAS FORMADAS.” donde se ha variado la concentración del
medio mayores a 0.1 M proporcionan un mejor recubrimiento que a menores
concentraciones y es más efectivo en la protección metálica frente a la
corrosión.
Los estudios doctorales de Correa Borrel A. (2010) sobre
“DESARROLLO DE MATERIALES ANTICORROSIVOS A BASE DE
POLÍMEROS CONDUCTORES Y CAPAS AUTOENSAMBLADAS” indican que
el recubrimiento con mayor eficacia es del pirrol formado teniendo como medio
el ácido oxálico presenta menos porosidad y mayor homogeneidad y es la más
estable en tiempos largos de exposición en medios de cloruros.
En la universidad de Valladolid en el 2016 se realizó un estudio de los
recubrimientos con polímeros conductores para la mejora de la resistencia a la
corrosión con diferentes medios y diferentes concentraciones, los tiempos y
potenciales eléctricos variaron según el polímero conductor, en cuanto al pirrol
aplicaron potenciales de 0.85 a 2.25 A con tiempos de 1000 a 1800 segundos
comprobando que el potencial del metal tiene tendencia a ser más noble que
sin el recubrimiento
45
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
De la electropolimerización del pirrol se pudo obtener el polipirrol que es
un polímero conductor.
Las variables de control y valores óptimos del proceso de
electrodeposición son: tiempo 1500 segundos, temperatura 22 °C,
concentración 0.6 M del ácido oxálico y el potencial eléctrico suministrado es
de 0.9 v a 1.2 v a 2 amperios, lo cual asegura un buen acoplamiento entre los
enlaces.
La mayor resistencia a la corrosión en medio ácido y salino fueron las
láminas metálicas revestidas a 0.6 M y 22 °C
Las etapas del mecanismo de reacción de la electrodeposición son:
oxidación, acoplamiento y desprotonación. Estas etapas se pueden observar
en 3D (se adjunta video en CD).
La temperatura del proceso es inversamente proporcional al potencial
eléctrico del metal, a medida que disminuye la temperatura el potencial
eléctrico va en aumentando.
5. 2 Recomendaciones
Realizar más estudios en esta área de investigación.
Mejorar el pretratamiento de los electrodos para que exista mayor
adherencia de las películas de polipirrol.
Realizar la electrosíntesis con otros disolventes para evaluar la
capacidad de dopado del monómero de estudio.
46
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50
Anexos
Figura 37 Fuente de poder Power Supply
Figura 38 Polimero Pirrol
Figura 39 Electrodo de trabajo Ag/AgCl
51
Figura 40 Lamina de acero recubierta
Figura 41 Lamina sumergida en HCl
Figura 42 Lamina sumergida en NaCl