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UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR

FACULTAD DE INGENIERÍA

GUATEMALA, GUATEMALA C.A.

“PROPUESTA DE MATRICES DE UN POLÍMERO EPÓXICO PARA LA

ELABORACIÓN DE MOLDES VULCANIZADOS DE SILICÓN HTV COMO

SUSTITUTO DE MATRICES DE ALUMINIO, EN UNA INDUSTRIA DE VELAS

AROMÁTICAS”

Tesis Presentada Por:

ANA HELEN FRANCO ARROYO

Para optar al Título de:

INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

Septiembre del 2004.

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AGRADEDIMIENTOS

A DIOS:

Por ser mi inspiración y por regalarme una vida llena de bendiciones.

A MIS PADRES:

Sin ellos sería imposible haber logrado mis sueños y por haberme formado como una

persona con buenos principios y valores. Gracias por su esfuerzo y amor. Los quiero

mucho.

A MI HERMANA:

Por ser mi compañera en todo momento, por su cariño, apoyo y nobleza. Te quiero mucho

Andrea.

A MIS AMIGOS:

Por haber compartido parte importante de nuestra vida en estos años de estudio. Gracias

Wendy, Sheila, Samuel, Lucita, Carmen.

EN ESPECIAL:

Al Ingeniero Harry Oxom por su valiosa ayuda en la realización de la presente

investigación. A mi asesor Ingeniero Alejandro Hidalgo por su guía y motivación.

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ÍNDICE

RESUMEN I

MARCO UNO: INTRODUCCIÓN 2

1.1. INTRODUCCIÓN 2

1.2. LO ESCRITO SOBRE EL TEMA EN GUATEMALA 3

1.3. MARCO TEORICO 4

1.3.1 TERMINOLOGÍA DE MOLDES 4

Molde, Moldes Flexibles, Moldeo por compresión 4

La matriz 5

1.3.2 TRANSFERENCIA DE CALOR 7

Naturaleza del flujo de calor 7

Conducción, convección y radiación 7

1.3.3. MATERIAL A SUSTITUIR: ALUMINIO 8

Propiedades del aluminio 9

Aleaciones ligeras 9

El enlace metálico 10

Estructura de los metales 11

Conductividad térmica en los metales 11

1.3.4 POLÍMEROS 13

1.3.4.1 ¿Qué son los polímeros? 13

1.3.4.2 Clasificación de los polímeros según su comportamiento con la temperatura 14

1.3.4.3 Polímeros termoestables 15

Formación de polímeros termoestables 15

Estructura de los termoestables 19

Propiedades de los termoestables 19

Aplicaciones 20

1.3.4.4 La cristalinidad en polímeros 21

1.3.4.5 Propiedades térmicas de los polímeros 22

Relación entre estructura y propiedades térmicas 22

Propiedades mecánicas 22

Resistencia 25

Elongación 25

1.3.4.6 Aditivos utilizados en plásticos 27

1.3.4.7 Silicones 29

Métodos de obtención de los silicones 30

Propiedades útiles de los silicones 33

4

Tipos de silicones 33

1.3.4.8 Resinas Epoxi 35

Propiedades de los epóxicos 35

1.3.5 PROCESOS

1.3.5.1 Diagramas de Flujos 36

1.3.5.2 Proceso de fabricación de una matriz de aluminio 37

1.3.5.3 Ensamblar moldes para vulcanizar 37

1.3.5.4 Máquina vulcanizadora 37

1.3.5.5 Vulcanizar 37

MARCO DOS : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 38

INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA 38

2.1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 39

2.1.1 OBJETIVO GENERAL 39

2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 39

2.2 HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN 40

2.3 VARIABLES 41

2.4 DEFINICIÓN DE VARIABLES 41

2.5 ALCANCES, LÍMITES Y LIMITACIONES 42

2.6 APORTES 43

MARCO TRES: MÉTODO 44

3.1 SUJETOS Y UNIDADES DE ANÁLISIS 44

3.2 INSTRUMENTOS 44

3.3 PROCEDIMIENTO 46

MARCO CUATRO: RESULTADOS 47

4.1 MEDICIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN 47

4.1.1 ANÁLISIS DE TRANFERENCIA DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA 47

4.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS DE LA MÁQUINA 48

4.1.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LA MATRIZ DE ALUMINIO 48

4.2 ELECCIÓN DEL EPÓXICO QUE SUSTITUIRÍA AL ALUMINIO 48

4.2.1 FABRICACIÓN DE LA MATRIZ EXPERIMENTAL DEL EPÓXICO 48

4.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN CONDICONES NORMALES EPÓXICO 50

4.4 MEDICIONES DE APOYO A LA INVESTIGACIÓN 50

4.4.1 MEDICIÓN DE PUNTOS DE FUSIÓN PARAFINAS 50

4.4.2 PRUEBA DE LA LLAMA PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL SILICÓN HTV 50

4.5 ANÁLISIS DE COSTOS 50

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MARCO CINCO: DISCUSIÓN 53

5.1 CONCLUSIONES 54

5.2 RECOMENDACIONES 55

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 56

ANEXOS 58

ANEXO 1: PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL ALUMINIO PURO 58

ANEXO 2: REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS 59

ANEXO 3: DATOS TÉCNICOS DEL SILICÓN HTV 61

ANEXO 4: DIAGRAMA DE INTERACCIÓN DE LA EMPRESA 62

ANEXO 5: DIAGRAMAS DE FLUJO PRODUCCIÓN MOLDES 63

A. PROCESO GENERAL DE FABRICACIÓN 63

B. PROCESO DE FABRICACIÓN DE MATRIZ ALUMINIO (PROVEEDOR) 63

C. PROCESO DE LA MATRIZ PROPUESTA DE EPÓXICO 64

D. PROCESO DE VULCANIZADO DE MOLDES DE SILICÓN HTV 65

ANEXO 6: PROCESO FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO 66

ANEXO 7: ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR 67

ANEXO 8: VULCANIZADORA 68

ANEXO 9: VULCANIZAR 71

ANEXO 10: ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA 74

ANEXO 11: MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS MÁQUINA 75

ANEXO 12: DIAGRAMA DE DIMENSIONES DE LAS MATRICES Y DE PUNTOS

DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA 77

ANEXO 13: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO 78

ANEXO 14: GRÁFICA DE LOS DATOS DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA

MATRIZ DE ALUMINIO 80

ANEXO 15: DATOS TÉCNICOS DEL EPÓXICO 81

ANEXO 16: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO 83

ANEXO 14: GRÁFICA DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO 85

ANEXO 18: MEDICIONES DE PUNTO DE FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR 86

ANEXO 19: RESULTADO PRUEBA DE LA LLAMA PARA EL SILICÓN HTV 87

ANEXO 20: ANÁLISIS DE COSTOS 88

ANEXO 21: GLOSARIO 89

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RESUMEN

El presente es un trabajo de investigación está enfocado al área experimental, en donde por medio

de un estudio detallado de un proceso específico; se buscó dar solución a un problema que existe

en una empresa manufacturera de velas aromáticas. Como todo proceso de fabricación tiene el

inicio en una idea original e innovadora: en base al diseño de nuevos estilos de velas se determinó

la necesidad de montar una fábrica de moldes dentro de la misma empresa, debido a que sin

molde no hay vela (para formas específicas y el proceso de producción de la empresa, aunque

existen otros procedimientos de fabricación de vela que no necesitan molde pero no aplican al caso

del presente estudio, procesos tales como extrucción de velas y fabricación por inmersión de

pabilos) y por los altos volúmenes de ventas fue necesario implementar un sistema en donde se

pudiera tener esta variable de producción bajo control. Los moldes utilizados para la fabricación de

velas deben tener varias propiedades especiales como maleabilidad, por ser las parafinas materiales

muy sensibles y fáciles de dañar; resistencia a altas temperaturas, porque las temperaturas de

llenado son altas por las características fisicoquímicas del material y sobre todo deben ser moldes

estables e inertes a las velas. No debe existir ningún tipo de contaminación de las velas que afecte

el quemado de las mismas ya que para poder mantenerse en un mercado exigente y controlado

deben llenarse los requisitos necesarios. Por todo esto que surgió la idea de tener bajo control la

variable de fabricación de las matrices con un material sencillo de utilizar y que cumpliera las

mismas especificaciones y condiciones de operación que las de aluminio, debido a que el proceso

de fabricación de moldes de silicón HTV que tiene que ser el material necesario para cumplir los

requerimientos del molde según lo anteriormente expuesto; para ello dicho material debe de

someterse a un proceso llamado vulcanizado que es un tratamiento térmico bajo altas

temperaturas y presión para estabilizar al silicón y darle las propiedades necesarias requeridas para

un molde que no afecte en nada a la vela.

Aunque el resultado adquirido en la presente investigación no es el que se esperaba, se comprobó

que el plástico propuesto no llenaba las condiciones necesarias para reducir costos de dicho

proceso, pero se pudieron comprobar las principales razones de peso para llegar a la conclusión.

Entre los aportes que se esperan dejar con el trabajo es conocer más a detalle la química del

proceso de vulcanizado o curado de plásticos de ingeniería, para documentación en investigaciones

posteriores.

7

MARCO UNO: INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Con el propósito de aportar beneficios en una empresa de velas aromáticas, con respecto a la

fabricación de moldes por medio del proceso de vulcanización de silicón htv, sustituyendo las

matrices actualmente utilizadas de aluminio por las de epóxicos que es un polímero capaz de

cumplir con las especificaciones y propiedades muy similares al metal anteriormente mencionado.

Es por eso que mediante la investigación experimental se tratará de comprobar si es, o no, factible.

La fabricación de moldes para veladoras de silicón HTV, el cual es un polímero altamente estable,

inerte y maleable, debe ser sometido a un proceso de vulcanizado o curado para que sus

propiedades fisicoquímicas sean aptas para el uso al que están destinados. La vulcanización hace

que los enlaces del polímero sean más fuertes y estables haciendo que el material soporte altas

temperaturas después de su curado, ideales para la producción del producto.

Las matrices alumínicas son aptas para las máquinas vulcanizadoras que están diseñadas para

poder utilizarlas, al sustituir las matrices alumínicas por epóxicas se lograrán varios beneficios,

entre ellos, mejorar el proceso de fabricación de moldes dentro de la empresa de velas aromáticas

al ser los fabricantes de las matrices cuidando así los diseños exclusivos para clientes específicos.

Además no se dependerá más de un proveedor teniendo la variable de control bajo el dominio de la

empresa, también se tendrá otra opción de material utilizado de una forma práctica y fácil para

dichas máquinas, y los costos serán reducidos considerablemente.

Es por estas razones que por medio de la introducción de equipo, tecnología y procesos nunca

antes empleados en la fabricación de moldes de la velas se pretende revolucionar totalmente el

procedimiento para brindar productos que satisfagan las necesidades del mercado actual que

permanece en cambio constantes, asegurando la calidad de los mismos.

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1.2 . LO ESCRITO SOBRE EL TEMA EN GUATEMALA

Guatemala es un país en donde la industria no ha logrado un desarrollo comparativamente grande

en relación a países con economías fuertes como México y a puertas de un tratado de libre

comercio con Estados Unidos en donde se abrirán las fronteras y la competencia será mayor; a la

vez podría aprovecharse este tratado para entrar a competir. La industria de las velas aromáticas

para la exportación tiene un mercado creciente que podría aprovecharse bajo estas circunstancias

para seguir creciendo. Por estas razones será la primera vez en Guatemala que se probará dicha

sustitución; además de ser un problema específico de la industria de veladoras y las condiciones

dentro de la fábrica de moldes ya que actualmente será la primera vez que se desarrollarán dichas

pruebas experimentales.

Es de gran importancia aplicar técnicas de ingeniería química en solucionar un problema en donde

se integran aspectos de resistencias de materiales, fisicoquímica, transferencia de calor por el

proceso de vulcanizado y además aspectos de reducción de costos del proceso.

No se ha encontrado ningún trabajo anterior vinculado con el tema, por ser un proceso específico

para la industria de velas. Solamente existen estudios de factibilidad de creación de fábricas de

velas, se encontró un proyecto de purificación de parafina de desperdicio en un planta

manufacturera de candelas; pero no presenta información relacionada directamente con la

fabricación de moldes para velas.

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1.3. MARCO TEÓRICO

1.3.1 TERMINOLOGÍA DE MOLDES

Wordingham y Reboul (1970) escribieron acerca de la terminología comúnmente utilizada en la

industria de fabricación de moldes, que a continuación se describe para familiarizarse con el tema.

Molde: Cavidad o hueco, dentro del cual se coloca un material o fluido plástico y del cual recibe

su forma correspondiente.

Moldes Flexibles: Son moldes flexibles o compresibles hechos de elastómeros, termoplásticos o

gelatinas aglutinadas. Estos son convenientes para fundir algunos otros plásticos, pastas o ceras.

Moldeo: Acción de dar forma a los componentes plásticos, usualmente bajo presión y/o calor.

Moldeo por compresión: Es un proceso de moldeo, confinado actualmente casi exclusivamente

a los materiales plásticos termoestables. Consiste en colocar una cantidad de material de moldeo

en la cavidad inferior de un molde, haciendo depresión en la cavidad superior y sometiendo el

material de moldeo a presión y calor; esto causa que el material fluya y adopte la forma del molde.

La cantidad de material de moldeo requerida para la producción de un objeto dado terminado se

determina previamente y se le pesa cuidadosamente. El molde es alimentado con material, ya sea

en forma de polvo liviano o más usualmente como perlas o tabletas o material preplastificación, y

generalmente es calentado. Cuando se trata de moldes grandes e intrincados es necesario, a

menudo , distribuir las perlas en varias partes del molde de manera de poder regular el flujo del

material y asegurar que la masa líquida llene todas las cavidades del molde. Para los moldes con

rebaba ( de los cuales es un buen ejemplo el moldeado por compresión) el peso del material

introducido en el molde es ligeramente superior al requerido para obtener el objeto terminado. En

los estados finales del moldeado este material extra es forzado a salir del molde por la unión entre

las dos mitades del molde y se lo recuece con el resto del material. Este exceso de material

(rebaba) se saca del moldeado terminado en la misma máquina de prensado, y la línea visible de la

rebaba sobre la superficie del moldeado se elimina por pulido entre cilindros giratorio o por

abrasión. Durante el proceso de moldeo las presiones en el molde son del orden de 1 a 2 toneladas

por pulgada cuadrada, mientras que las temperaturas el moldeo depende del material a utilizar.

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La siguiente es una representación gráfica de una máquina vulcanizadora para la fabricación de

moldes en donde se indican las partes más importantes.

Figura No 1 Prensa Vertical hidráulica de la variedad “Downstroke” usada para moldeo por compresión

La matriz es una copia del objeto que se quiere reproducir.

El molde para vulcanizar esta compuesto por dos partes:

1. La Cavidad: comúnmente llamada “hembra” debe de llevar el mayor detalle posible ya

que es la que se va a estar reproduciendo posteriormente en producción.

2. El Casco: conocido también como “macho”, es la parte externa del molde y es el

responsable de darle la forma externa al molde final. El Ensamble del molde para

introducirlo a la vulcanizadora es uno de los procesos mas críticos de todos ya que si no se

ensambla correctamente se puede romper el molde.

11

Ésta debe de ser de un metal rígido para que pueda soportar las presiones a la cual va a estar

sometida y es generalmente de aleaciones de aluminio. Consta de dos partes dependiendo de la

forma del molde que se desea producir; una parte es conocida como cavidad, que muestra la forma

exterior o apariencia que tendrá la vela ya que es la que se va a estar reproduciendo

posteriormente, y la segunda parte es llamada comúnmente casco o hembra y es la cavidad en

donde conjunto con el macho da la forma del molde. La matriz debe tener una buena resolución

para que los moldes tengan diseños bien definidos con el objetivo de producir velas de buena

calidad además la distancia entre la cavidad y casco aproximadamente es de 0.5 pulg (1.27cm)

pero puede variar según el diseño del producto.

Figura No 2 Ejemplo de una matriz.

12

1.3.2. TRANSFERENCIA DE CALOR

Por ser un proceso en donde la transferencia de calor es esencial para llevarlo a cabo, es

importante revisar los mecanismos de transferencia de calor que ocurren dentro de éste. Valiente

(1990) define al Calor como una de las formas de transmitir la energía de un cuerpo a otro. Es la

transmisión de energía mediante una diferencia de temperatura.

Según Mc Cabe, Smith y Harriot (1991) :

Naturaleza del flujo de calor

Cuando dos objetos que están a temperatura diferente se ponen en contacto térmico, el calor fluye

desde el objeto de temperatura más elevada hacia la temperatura más baja. El flujo neto se

produce siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que fluye el

calor son tres: conducción, convección y radiación.

Conducción: Si existe un gradiante de temperatura en una sustancia el calor puede fluir sin que

tenga lugar un movimiento observable de la materia, esta es la conducción. En sólidos metálicos la

conducción del calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe una estrecha

relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. En los sólidos, que son malos

conductores de la electricidad, y en la mayor parte de los líquidos, la conducción del calor se debe

al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiante de

temperatura.

Convección: Cuando una corriente o una partícula macroscópica de fluido cruza una superficie

específica, tal como el límite de un volumen de control lleva consigo una determinada cantidad de

entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el nombre de flujo convectivo de valor o convección. Este es

un fenómeno macroscópico, solamente ocurre cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la

corriente de fluido y mantiene su movimiento frente a las fuerzas de fricción. La convección está

estrechamente relacionada con la mecánica de fluidos. De hecho, desde el punto de vista

termodinámico, la convección no es considerada como un flujo de calor sino cono una densidad de

flujo de entalpía.

Radiación: Transmisión de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si

la radiación para a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra forma de

energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material la radiación se transmitirá, reflejará o

absorberá. Solamente la energía absorbida es la que aparece como calor y esta transformación es

cuantitativa. Ejemplos son las pérdidas de calor desde una máquina, un radiador o una tubería no

aislada hacia el aire del ambiente de una habitación.

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1.3.3. MATERIAL A SUSTITUIR :ALUMINIO

Condiciones operacionales necesarias utilizadas con las matrices alumínicas:

Temperatura 225 ± 5 °C (437± 41 °F)

Inerte a Silicón HTV

Resolución de copiado Alta

Resistencia mecánica 15000 lb fuerza

Altas temperaturas Por períodos largos de tiempo

Tabla No 1 Condiciones de operación necesarias

El aluminio es un metal puro encontrado en la naturaleza forma parte de los elementos básicos

químicos de la tabla periódica.

Para procesos industriales generalmente se utilizan aleaciones de este mismo material ya que

ellas le dan propiedades fisicoquímicas específicas. Las matrices que actualmente se utilizan

están fabricadas, según Tabla 2, de la siguiente forma:

ALUMINIO 1 ALUMINIO 2 ALUMINIO 3

ANÁLISIS QUÍMICO

Cu 0.15-0.40 0.05 Max 0.05-0.20

Fe 0.70 Max 0.40 Max 0.95 Si+ Fe Max

Mn 0.15 Max 0.05 Max 0.05 Max

Mg 0.8-1.2 0.05 Max 0.05 Max

Zn 0.25 Max 0.05 Max 0.10 Max

Cr 0.04-0.35 **** ****

Ti 0.15 Max 0.03 Max 0.03 Max

Si **** 0.25 max 0.95 Si+ Fe Max

Al **** 99.5 min 99.00 min

Otros **** 0.03 c/u 0.05 c/u 0.15 total

TRATAMIENTO TÉRMICO

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN 35000 psi **** ****

ELONGACIÓN 22 % **** ****

DUREZA BRINELL 65-95 **** ****

Tabla No 2 Propiedades fisicoquímicas de aluminio para matrices. Fuente: Hojas técnicas proveedores varios.

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El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativa baja densidad (2.7 g/cc comparada con

7.9 g/cc del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en

algunos medios, incluyendo el atmosférico. A muchas de estas aleaciones se les puede dar formas

diferentes con facilidad debido a su elevada ductilidad. El aluminio tiene una estructura cúbica

centrada en las caras , su temperatura de fusión es de 660°C (1220°F). La resistencia mecánica del

aluminio se logra por acritud y aleaciones. Los principales elementos de aleación son el cobre,

magnesio, silicio y manganeso y zinc.

Propiedades del Aluminio

Debido que las aleaciones de cada una de las matrices varían según el proveedor que se utilizó, se

usarán las propiedades fisicoquímicas del aluminio puro (ver Anexo 1), encontradas en Perry, Green

y Maloney (1992).

El aluminio es un metal blanco brillante, que pulido semeja a la plata. Cristaliza en red cúbica

centrada en las caras (FCC). Su peso específico es igual a 2,699, es decir, casi 1/3 del hierro (7,87).

Su conductividad eléctrica es un 60% de la del cobre y 3,5 veces mayor que la del hierro. Su punto

de fusión es 660ºC y el de ebullición 2.450ºC. Este punto de fusión relativamente bajo, unido a su

punto de ebullición bastante alto facilita su fusión y moldeo.

La propiedad química más destacada del aluminio es su gran afinidad con el oxígeno, por lo que se

emplea entre otras cosas para la desoxidación de los baños de acero, para la soldadura alumino-

térmica (Al + Fe2O3), para la fabricación de explosivos, etc. A pesar de esto, y aunque parezca un

contrasentido, el aluminio es completamente inalterable en el aire, pues se recubre de una delgada

capa de óxido, de algunas centésimas de micra, que protege el resto de la masa de la oxidación.

Debido a esta película protectora, resiste también a la acción del vapor de agua, el ataque nítrico

concentrado y muchos otros compuestos químicos. En cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, el

clorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones salinas.

Aleaciones ligeras

Se denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen como elemento base o principal

el aluminio. Respecto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, cinc, níquel,

hierro, titanio, cromo y cobalto. Estos materiales pueden figurar en las aleaciones juntos o aislados.

En general, la proporción total en que forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del 15%.

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Figura No 3 Arreglo molecular en una aleación de metales

Fuente: Shackelford (1995).

La característica principal de las aleaciones ligeras, es su bajo peso específico, que en algunas de

ellas llega a ser hasta de 1/3 del peso específico del acero. Y aún resulta más interesante la

relación de resistencia mecánica a peso específico, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la

más alta entre todos los metales y aleaciones conocidos.

El hierro y el silicio hacen las veces de elementos de aleación y aumentan la resistencia y la

utilidad del metal para muchos fines. El metal cuya pureza es de 99.0 a 99.3% se conoce con el

nombre de aluminio de pureza comercial y con esta clase de metal se fabrican artículos forjados

denominados “2S”.

Gracias a las aleaciones se obtiene la resistencia mecánica y dureza de los elementos agregados al

aluminio.

El enlace metálico

Según Shackelford (1995) en el enlace iónico intervienen una transferencia de electrones y es

adireccional. En el covalente es por medio de la distribución compartida de electrones y es

direccional. En el tercer tipo de enlace primario, el enlace metálico, intervienen una distribución

compartida de electrones pero es adireccional. En este caso se dice que los electrones de valencia

deslocalizados estén asociados con cualquiera de un gran número de átomos adyacentes. En los

metales característicos, esta deslocalización se relaciona con todo el material, lo que ocasiona una

nube de electrones o un gas de electrones como en la figura No 4. El “gas móvil ” es la base de la

alta conductividad eléctrica de los metales.

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Figura No 4. Ejemplo de un enlace metálico con una nube de electrones. Se muestra un corte imaginario a través de la cara

frontal de la estructura cristalina del cobre, revelando núcleos de ion Cu2+ enlazados mediante iones de valencia

deslocalizados. Fuente: Shackelford (1995).

Estructura de los metales

La mayoría de los metales se encuentran en la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc).

Muchos materiales de ingeniería contienen cantidades significativas de componentes diferentes, las

aleaciones comerciales son un ejemplo, conocidas como soluciones sólidas en donde se mezclan

dos o más sustancias sólidas y una actúa en sustitución de la otra, para que ocurra esta mezcla

completa los metales deben ser muy similares como lo describe la regla de Hume-Rothery:

1. Menos de aproximadamente 15% de radio atómico

2. La misma estructura cristal

3. La misma valencia

Si se viola una o más aspectos de la regla anterior solo es posible una solubilidad parcial por

ejemplo menos del 2% de silicio es soluble en aluminio.

Conductividad térmica en los metales

La conductividad térmica es una medida de la intensidad a la que el calor se transmite a través de

un material, relaciona el calor transmitido de una determinada sección por segundo cuando existen

un gradiante de temperatura.

Si se excitan fácilmente los electrones de valencia hacia la banda de conducción, la energía térmica

puede ser transmitida por los electrones, la cantidad de energía transferida depende del número de

electrones excitados y de su movilidad. Las vibraciones inducidas térmicamente de los átomos

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causan la emisión de fonones (fonón: onda elástica que transfiere energía a través de un material),

los cuales también transfieren energía a través del material. Es de esperar que las temperaturas

más elevadas incrementen la rapidez de la transferencia del calor debido a los fonones de mayor

energía.

Las contribuciones electrónicas son el factor dominante en la conducción de la energía térmica en

los metales y las aleaciones. Pero la conductividad térmica depende también de los defectos de la

red, la microestructura y el procesamiento del metal. De aquí que los metales trabajados en frío,

los endurecidos por solución y las aleaciones de dos fases pueden mostrar conductividades más

bajas en comparación con sus contrapartes libres de defectos.

Es de esperar que las temperaturas más elevadas reduzcan la movilidad y la conductividad térmica

de los metales. Sin embargo las temperaturas mayores incrementan también la energía de los

electrones y permiten que el calor sea transferido por vibración de la red. En los metales la

conductividad térmica a menudo decrece inicialmente con la temperatura, se vuelve casi constante

y después se incrementa ligeramente.

Figura No 5 Efecto de la temperatura sobre la conductividad térmica de algunos materiales

Fuente: Askeland (1987).

18

Las propiedades a la tensión son afectadas de manera importante por la temperatura. El esfuerzo

de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas

elevadas, en tanto que la ductivilidad que es la medida del grado de deformación en la fractura de

los materiales, comúnmente se incrementa.

Figura No 6 Efecto de temperatura (a) en la curva esfuerzo-deformación y

(b) en las propiedades a la tensión de una aleación alumínica

Fuente: Askeland (1987).

1.3.4 POLÍMEROS

1.3.4.1 ¿Qué son los polímeros?

Los polímeros o plásticos como se les conoce comúnmente son materiales de amplia utilización en

la actualidad, y están en todas partes desde la industrial del envase, aeronáutica, medicina,

construcción, etc. Son materiales muy ligeros ya que presentan baja densidad, son resistentes a los

agentes químicos y a los factores ambientales, no sufren de corrosión y son de bajo costo. Pero la

característica que presenta mayor interés es que al ser productos de síntesis pueden ser fabricados

a medida según las necesidades de la aplicación a que van a ser destinados. Además pueden ser

moldeados en las formas más complicadas o caprichosas en una operación sencilla, con el

consiguiente abaratamiento de los costos e incluso una mejora en las presentaciones del material.

En el anexo 2 se presentan estructuras de los polímeros.

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La reacción química por la cual se obtienen los polímeros se denomina polimerización. Existen

muchas de estas reacciones y son de distintas clases. Pero todas las polimerizaciones tienen un

detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que luego se van uniendo entre sí para

formar moléculas gigantes. Se les llaman monómeros a esas moléculas pequeñas. Pero pueden

unirse de diferentes maneras.

Figura No 7 Estructura de un polímero

Fuente: Gomez y Bercero (2000).

Existen dos maneras de sintetizar polímeros, la primera es por adición que, según Wade (1993), los

polímeros por adición son el resultado de la adición rápida de una molécula a la vez a una cadena

creciente del polímero, por lo general, a través de un intermediario reactivo (catión, radical o anión)

al extremo de la cadena, también conocidos como crecimiento de cadena. Y los polímeros de

condensación resultantes de la reacción entre dos moléculas y la pérdida de una molécula pequeña,

también se le conoce como crecimiento por etapas. La polimerización por radicales libres, que son

polímeros que al calentarse sufren una reacción en cadena que se detiene por acoplamiento de dos

cadenas, por reacción de una impureza o por agotamiento del monómero.

1.3.4.2 Clasificación de los polímeros según su comportamiento con la

temperatura

Los plásticos o materiales polímeros se clasifican en dos grandes grupos según su comportamiento

con la temperatura. Se clasifican en Termoplásticos y en termofijos o termoestables.

Figura No 8 Estructura de un polímero termoplástico y un polímero termoestable

Fuente: Young (1990).

20

Un termoplástico es un material que puede cambiarse de forma varias veces simplemente elevando

y descendiendo la temperatura. Un termoestable es aquel que una vez ha sido moldeado mantiene

su forma aunque se eleve la temperatura; también se les puede encontrar con el nombre de

termofijos, ya que en la actualidad existen termoplásticos que resisten altas temperaturas hasta

llegar a su punto de fusión.

La diferencia en el comportamiento térmico de los polímeros es consecuencia de su estructura. Los

termoplásticos son polímeros de cadena lineal mientras que los termofijos son reticulados, las

cadenas están entrecruzadas.

1.3.4.3 POLÍMEROS TERMOESTABLES

Son llamados polímeros termofijos o termoestables a aquellos que al aumentar la temperatura no

fluyen (por la acción del calor), su estructura molecular es estable, invariable. En cambio los

polímeros termoplásticos, como su nombre lo dice, se ablandecen con la temperatura, son

reciclables y pueden disolverse en determinadas sustancias. Los termofijos no logran ablandarse,

no se reciclan, no se disuelven o hinchan con los disolventes y llegan a destruirse o descomponerse

antes de fluir con el aumento de temperatura. Su cadena molecular se encuentra enlazada una con

otra por medio de enlaces covalentes lo que provoca que sean productos rígidos, infusibles,

insolubles y muchas veces frágiles.

Dentro del tipo de estructura polimérica entrecruzada existe una muy característica: la de los

cauchos o elastómeros. Estos compuestos presentan una densidad de nudos (grado de

entrecruzamiento) bastante más baja de la que presentan los compuestos termofijos. Tiene

propiedades elásticas y se hinchan en presencia de algunos disolventes. Los elastómeros tampoco

son reciclables pues no fluyen con el calor.

Formación de polímeros termoestables

La formación de un polímero termoestable es un proceso muy complejo. Durante la reacción de

polimerización se pasa desde un estado más o menos viscoso hasta un sólido rígido a través de

diferentes etapas de vitrificación y de gelación.

Controlar las condiciones de formación de termoestables (curado) es fundamental para conseguir

las propiedades del material deseadas, ya que según sea el grado de entrecruzamiento alcanzado el

material tendrá una Tg (temperatura de transición vítrea: temperatura en la cual se logra el mayor

21

grado de entrecuzamiento de un polímero termofijo, es decir temperatura de curado) que incide

directamente en las propiedades del material.

El tiempo de duración del curado, así como la temperatura a que tiene lugar el mismo, son factores

determinantes de la formación del material. En la gráfica No 9 se relacionan los distintos estados

por los que pasa un sistema hasta llegar a la formación de un termoestable en función del tiempo

de reacción y de la temperatura.

El termoestable puede formarse de dos maneras diferentes:

a) Poniendo a polimerizar conjuntamente la mezcla de comonómeros, uno de los cuales al

menos debe ser divinílico para conseguir el enlazamiento de cadenas, y

b) Entrecruzando cadenas poliméricas funcionalizadas adecuadamente con un entrecruzante.

Este segundo caso es el más habitual. Es el utilizado en la formación de resinas de poliéster

en las que la cadena de polímero presenta dobles enlaces reactivos o el caso de todos

conocido y utilizado de las resinas epoxi base de los adhesivos de dos componentes.

En la figura No 9 están delimitadas por líneas curvas los distintos estados por los que atraviesa la

formación de un termoestable.

22

Figura No 9 Gráfica de curado para un Polímero Termoestable

En la gráfica No 9 Tgo representa el valor de la Tg (Temperatura de transición vítrea) de la cadena

polimérica inicial que va a ser entrecruzada. Por debajo de ésta temperatura el polímero lineal está

en un estado vítreo. Entre Tg y Tg ∞, que es la Tg del termoestable ya formado , existen una serie

de combinaciones de la temperatura a la que se realiza el curado y el tiempo de duración de la

reacción, en las que se forman: un líquido, un gel gomoso o un gel vítreo. La línea punteada

muestra la gelación del material y la línea negra gruesa abarca el gel en estado vítreo.

Analizando el proceso, si la reacción de curado se realiza a una temperatura inferior a la de la Tg

del termoestable para esa composición, se necesita un tiempo de curado mayor para completar la

reacción. El producto obtenido presenta un valor de Tg inferior a Tg∞ como consecuencia de la

incorporación no completa del entrecruzante, formándose un polímero menos entrecruzado y con

un valor de la Tg inferior al que debería tener.

23

Al principio la reacción de curado está controlada cinéticamente, pero a medida que ésta progresa,

la masa de reacción va aumentando su viscosidad hasta que impide el acercamiento de más

entrecruzante a la cadena polimérica. En éste momento el control de la reacción está regido por la

difusión.

La reacción de curado debe realizarse a la Tg y a bajos tiempos de reacción, ya que si se mantiene

a ésta temperatura durante mucho tiempo pueden existir reacciones de desvitrificación. El tiempo

de vulcanización afecta de igual manera a sus propiedades. Un caucho vulcanizado presenta

propiedades de resistencia a la deformación diferentes a uno no vulcanizado, se puede ver

claramente la diferencia en la siguiente figura:

Figura No 10 Comparación de los esfuerzo de un Caucho Vulcanizado y el mismo caucho en su estado natural

Fuente: Gómez y Bercero (2000).

En la siguiente tabla se presentan las ventajas e inconvenientes que presentan los polímeros

termoplásticos y termoestables como materias, y su comparación con materiales metálicos y

cerámicos.

Material Ventajas del termoplástico Inconvenientes

Termoestable

Resistencia termofluencia

Gran estabilidad dimensional

Gran rigidez

Mayor fragilidad

Menor flexibilidad

Metales Resistencia a la corrosión

Buenos aislantes

Menor densidad

Son procesados a menor presión y temperatura

Mal conductor

Cerámicas Menor densidad

Mayor tenacidad

Fácil procesado

Tabla No 3 Comparación de los termoestables contra otros materiales. Fuente: Gómez y Bercero (2000).

24

Estructura de los termoestables

Los polímeros termoestables tienen una estructura tipo red tridimensional como la representada

(network) en la figura No 8, en la que las zonas entre nudos (puntos comunes a dos cadenas) no

tienen movilidad por estar unidas a dos nudos cercanas. La diferencia entre un polímero

termoestable y un elastómero radica en la distinta densidad de nudos que presentan ambas

estructuras. Se define densidad de nudos al número de unidades de monómeros entrecruzadas por

cadena principal. Matemáticamente se representa por la expresión siguiente:

Γ = (Mn)o Γ = Densidad de nudos

(Mn)c (Mn)o = Peso molecular promedio del polímero no entrecruzado

(Mn)c = Peso molecular promedio entre nudos

En un polímero termoestable (Mn)c es muy pequeño, presentando los fragmentos entrecruzados

una conformación casi estirada y fija, sin apenas posibilidad de movimientos segmentales. Por el

contrario en un elastómero la densidad de nudos es muy baja, es decir el tamaño de los

fragmentos entre nudos es grande, lo que permite una gran movilidad de los segmentos

moleculares, experimentando deformaciones por estiramiento al aplicarles fuerza externa,

volviendo a su posición inicial retorcida, cuando cesa aquella. Este fenómeno se conoce como

elasticidad.

Propiedades de los termoestables

Los polímeros termoestables no funden ni se reblandecen con el aumento de la temperatura, de ahí

el nombre termoestables, los polímeros termoestables tampoco fluyen con el aumento de la

temperatura, descomponen antes de alcanzar la temperatura de fusión o de reblandecimiento por

lo que no pueden ser reciclados.

Los polímeros termoestables no se disuelven en disolventes orgánicos o acuosos; se hinchan en

ellos por penetración de moléculas de disolvente en el interior de la malla. El grado de

hinchamiento depende de la afinidad del polímero hacia el disolvente, así como el grado de

entrecruzamiento del mismo. Cuanto más entrecruzado sea el polímero, menos tamaño y mayor

rigidez tendrán los fragmentos entre nudos, admitiendo pocas moléculas de disolvente en su

interior. Un polímero entrecruzado hinchado por un disolvente se denomina gel.

Existen dos manera de obtener polímero termoestables:

a) Por entrecruzamiento de las cadenas macromoleculares durante la polimerización utilizando

monómeros polifuncionales y

25

b) Por entrecruzamiento de las cadenas macromoleculares obtenida en una polimerización

previa.

El proceso de entrecruzar cadenas se denomina “curado”. Los entrecruzamientos pueden tener la

misma naturaleza que la cadena principal o ser totalmente diferentes. En el primer caso la

polimerización ha transcurrido según el supuesto a) y ocurre con monómeros idénticos en

reacciones de adición o trifuncionales en reacción de condensación. En el supuesto b) el

entrecruzantes de las cadenas preformadas puede tener estructura diferentes a ellas. Este es el

caso de las formación de epóxicos.

Aplicaciones

Los polímeros son materiales de gran interés en ingeniería por presentar características como:

a) Alta estabilidad térmica.

b) Gran rigidez.

c) Gran estabilidad dimensional.

d) Resistencia a la deformación bajo cargas.

e) Baja densidad.

f) Buenas características como aislantes términos y eléctricos.

Los plásticos termoestables se procesas normalmente por compresión o moldeo por transferencia

(proceso de vulcanizado o curado).

Los plásticos termoestables se utilizan en forma de compuesto de moldeo de dos componentes

principales:

1) Una resina conteniendo agentes de curado, endurecedores y plastificantes.

2) Rellenos y/o materiales reforzantes de naturaleza orgánica o inorgánica como harina de

madera, mica, vidrio, celulosa, metales, etc.

26

Figura No 11 Comportamiento ideal de un plástico termoestable

relacionando sus propiedades con el tiempo de vulcanizado.

Fuente : Young (1989).

1.3.4.4 LA CRISTALINIDAD EN POLÍMEROS

La tendencia de los polímeros a ser cristalinos viene determinada por su estructura química. En

general la cristalinidad está favorecida por las estructuras simétricas, que permiten un

empaquetamiento más regular de las cadenas en el sólido y que permiten, también, una mayor

proximidad entre cadenas lo cual favorece las interacciones entre ellas.

Los polímeros regulares, que tienen tendencia a cristalizar, no llegan a alcanzar, su 100%, suelen

tener siempre un porcentaje de parte amorfa y son, por tanto, semicristalinos.

El grado de cristalinidad que se alcanza depende de la estructura, pero también del proceso

seguido para la cristalización. Según la temperatura a la que se efectúa ésta, la rapidez con que se

generan los cristales, y el tratamiento térmico y mecánico posterior del polímero, así la cristalinidad

resulta mayor o menor. Para alcanzar mayores cristalinidades, suele ser conveniente que el

enfriamiento sea lento. También se favorece, sometiendo al polímero a tensión, el templado o

tratamiento térmico de los polímeros ya cristalizados, también modifica el grado de cristalinidad.

Los cristales de polímeros son, en general, pequeños. En los polímeros que forman plásticos, estos

cristales suelen estar organizados en estructuras mayores que se llaman esferulitas.

27

1.3.4.5 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS POLÍMEROS

El comportamiento de los polímeros viene marcado por ciertas temperaturas, que delimitan sus

propiedades y su resistencia. Estas temperaturas son Temperatura de transición vítrea Tg,

temperatura de fusión Tm, temperatura de estabilidad térmica Ts. La importancia relativa

de la transición vítrea y de la fusión depende del grado de cristalinidad que tenga el polímero.

Si el polímero es amorfo (y de cadena lineal) se comporta como vídrio a temperaturas bajas y se

hace correoso a temperaturas ligeramente por encima de su Tg. Estos polímeros correosos pasa a

ser gomosos a temperaturas algo más altas, y finalmente fluyen con líquidos viscosos, a

temperaturas superiores. Los polímeros amorfos entrecruzados no fluyen y se mantienen como

gomas.

Si el polímero es cristalino, funde a llegar a su Tm, pasando a líquido viscoso. Un polímero

semicristalino puede tener un comportamiento combinado, haciéndose algo correoso al llegar a su

Tg y fundiendo luego al llegar a su Tm. La temperatura de fusión es siempre superior a la de

transición vítrea. En general, el valor de Tm es de un 30% a 100% superior al de Tg (ambos en

temperatura absoluta).

Relación entre estructura y propiedades térmicas

Los polímeros cuyas cadenas son de estructura muy flexible ( como goma natural por ejemplo)

tienen valores bajos de Tg. Las interacciones suelen hacer que Tg aumente.

Los anillos aromáticos son estructuras rígidas, y su presencia en los eslabones de la cadena hace

que, tanto Tg como Tm de los polímeros que contienen estas estructuras rígidas, sean superiores a

las de polímeros similares, pero que contienen secuencias alifáticas tipo –(CH2)n- que son flexibles.

Propiedades mecánicas

El comportamiento mecánico de los polímeros es muy importante para sus aplicaciones en los

plásticos. Su capacidad para soportar fuerzas, el modo cómo se deforman y ceden ante dichas

fuerzas, etc, son propiedades mecánicas del material, que cambian de unos polímeros otros y

dependen de las características intrínsecas de estos, tales como su estructura química, su peso

molecular, su grado de cristalinidad, entre otros, pero también dependen muy fuertemente de los

factores externos, entre los cuales están temperatura y el tiempo, entendido éste último como

medida de la rapidez con que se aplican las fuerzas así como la duración de éstas.

28

Un procedimiento muy seguido para mejorar el rendimiento mecánico de un material, a partir de un

polímero dado, es mezclar el polímero con algún relleno que contribuya a reforzar alguna de las

propiedades buscadas.

La cristalinidad favorece la resistencia mecánica de los polímeros, en general. Su rigidez y dureza,

así como su resistencia a ceder, suelen mejorarse cuando el grado de cristalinidad en mayor. Por

eso, suelen ser beneficiosos los procesos que favorecen la formación de dicha cristalinidad, como el

enfriamiento lento del fundido, el retemplado, etc.

No siempre es lo más conveniente buscar la mayor rigidez y dureza en el material porque éstas

cualidades suelen ir acompañadas de fragilidad, el material puede ser duro pero resultar

quebradizo. Para muchas aplicaciones es mejor que el material ceda algo, y pueda absorber, así,

las tensiones sin quebrarse. Con ello, se logra un material más tenaz. Esta tenacidad la aportan

las zonas amorfas del polímero, en las que las cadenas se encuentran desordenadas y pueden

pasar, fácilmente, de una conformación a otra. Con este cambio de conformación, se pueden

adaptar a la tensión externa, y disipar su efecto dentro del material. Las zonas cristalinas, por el

contrario, tienen sus cadenas perfectamente ordenadas y en una conformación única, que no

puede cambiar, por lo que resultan rígidas y cuando la tensión se acumula en exceso, el único

mecanismo de disipación es la rotura . Así esta combinación de zonas amorfas, que absorben

tensiones, y zonas cristalinas que aportan rigidez, resulta conveniente y pueden graduarse para

alguna aplicación especial.

La combinación rígido-deformable puede estar ya en la misma estructura química del polímero.

Este es el caso de los copolímeros en que uno de los monómeros tiene una estructura química

rígida, tipo anillo aromático, y otro monómero es flexible, como puede serlo una secuencia de

carbonos alifáticos, o con algún oxígeno intercalado entre estos carbonos.

Todo tipo de comportamientos son posibles usando polímeros. De aquí las grandes ventajas de

estos materiales.

29

Figura No 12 Comportamiento idealizado de diferentes plásticos con diversas propiedades

En la figura No 12 se muestra de forma idealizada, los distintos comportamientos de los materiales

plásticos ante la tensión y deformación que presentan, según la dureza, tenacidad, resistencia, etc.

La representación es de tensión frente a deformación. El significado de estar curvas es: qué fuerza

hay que aplicar para conseguir una determinada deformación o bien, qué deformación se produce

si aplicamos determinada fuerza (tensión=fuerza/área).

Hay que tener presente que los polímeros son viscoelásticos. Sometidos a tensión se deforman, de

modo parcialmente elástico y parcialmente viscoso, ya que durante el tiempo que dura la tensión,

va ocurriendo un proceso de flujo de material. Si el efecto de flujo es muy pequeño, la forma

original puede recuperarse cuando cesa la tensión (deformación elástica), pero en caso contrario,

un parte de la deformación resulta irreversible. La importancia relativa de la componente elástico y

de la componente viscosa depende de la clase de polímero que se trate, su peso molecular, de su

grado de entrecruzamiento y de la temperatura. Para todas estas características y parámetros

iguales, dependen del tiempo que dura la aplicación de la tensión y de la rapidez con que se aplica.

El efecto de la duración es claro, el flujo de material avanza, progresivamente, mientras la fuerza

continúa aplicada, aunque la elasticidad no cambia. El efecto de la rapidez también puede

entenderse, pues la respuesta de las cadenas a la fuerza exterior no es rigurosamente instantánea,

sino que se toma un tiempo. El tiempo requerido depende de la envergadura del movimiento que

ejecutan las cadenas, si se trata sólo de pequeños cambios conformacionales en tramos cortos,

será un tiempo más breve que si se trata de desplazamientos más generalizados de éstas. Según

sea la rapidez de aplicación de la fuerza, así dará tiempo a una gama más o menos amplia de

movimientos moleculares, lo cual condiciona la respuesta del material.

30

Las propiedades mecánicas de interés en el presente estudio son las siguientes:

Resistencia

Para medir la resistencia tensil, que es la propiedad en donde se mide si un polímero tiene

resistencia y soportar un estiramiento horizontal o vertical dentro de su estructura molecular, se

debe hacer el estiramiento con una máquina llamada Instron en donde se mide la tensión al

incrementar la fuerza y la tensión sobre la muestra hasta que ésta llega a romperse, la tensión

requerida para romper la muestra representa la resistencia tensil del material, también se puede

determinar su diagrama esfuerzo-deformación, pero por carecer de dicho instrumento esta prueba

se omitió utilizando solamente pruebas con la máquina vulcanizadora sometiendo a fuerzas de

compresión al material en estudio, también se cuentan con los datos teóricos proporcionados por

los proveedores.

Elongación

Pero las propiedades mecánicas de un polímero no se remiten exclusivamente a conocer cuán

resistente es. La resistencia indica cuánta tensión se necesita para romper algo. Pero no dice nada

de lo que ocurre con la muestra mientras se trata de romper. Ahí es donde corresponde estudiar el

comportamiento de elongación de la muestra polimérica. La elongación es un tipo de deformación.

La deformación es simplemente el cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo

tensión.

Los termoplásticos se pueden comparar de acuerdo a su módulo de estiramiento, a pesar que no se

tienen todos los datos cuantificados, utilizando al gráfica No 13 como representación de las curvas

típicas de tensión-estiramiento para comparar varios polímeros. La primera curva corresponde a un

plástico totalmente rígido (similar al epóxico) se observa que pueden aumentar una gran carga de

tensión pero no tienen elongación antes presentan ruptura, los materiales son muy resistentes, su

pendiente de la recta es pronunciada lo que significa que necesita una fuerza alta para deformarse

(es por ello que tiene módulos elevados). Resumiendo, los plásticos rígidos tienden a ser

resistentes, soportan la deformación, pero no suelen ser duros, es decir, son quebradizos.

31

Figura No 13 Comparación de la resistencia tensíl de tres tipos de polímeros

Fuente: After (1991).

Los plásticos flexibles como el polietileno y el polipropileno difieren de los plásticos rígidos en el

sentido que no soportan tan bien la deformación, pero tampoco tienden a la ruptura. El módulo

inicial es elevado, o sea que resisten por un tiempo la deformación, pero si se ejerce demasiada

tensión sobre un plástico flexible, finalmente se deformará. Como conclusión, los plásticos flexibles

pueden no ser tan resistentes como los rígidos, pero son mucho más duros.

Es posible alterar el comportamiento tensión-estiramiento de un plástico con aditivos es por ello

que muchos plásticos de ingeniería contienen estas sustancias para mejorar sus propiedades.

Las fibras como el KevlarTM, la fibra de carbono y el nylon tienden a exhibir curvas tensión

estiramiento como la de color celeste que se ve en el gráfico No 13. Al igual que los plásticos

rígidos, son más resistentes que duras, y no se deforman demasiado bajo tensión. Pero cuando es

resistencia lo que se requiere, las fibras tienen mucho que ofrecer. Son mucho más resistentes que

los plásticos, aún los rígidos, y algunas fibras poliméricas como el KevlarTM, la fibra de carbono y el

polietileno de peso molecular ultra-alto poseen mejor resistencia tensil que el acero.

Los elastómeros como el poliisopreno, el polibutadieno y el poliisobutileno muestran un

comportamiento mecánico completamente diferente al de los otros tipos de materiales. Los

elastómeros tienen módulos muy bajos.

32

1.3.4.6 ADITIVOS UTILIZADOS EN PLÁSTICOS

Para lograr que los polímeros tengan las propiedades fisicoquímicas deseadas como materiales de

ingeniería a las bases de los plásticos se les agregan las siguientes sustancias como aditivos, según

Askenland (1987) :

• Estabilizantes: Impiden el deterioro del polímero provocado por el medio ambiente y la

radiación ultravioleta.

• Agentes antiestáticos: Como la mayoría de los polímeros, debido a que son malos

conductores eléctricos, generan electricidad estática. Los agentes antiestáticos atraen

mayor humedad del aire hacia la superficie del polímero, mejorando la conductividad

superficial del polímero y reduciendo la posibilidad de una chispa o descarga eléctrica.

• Retardantes de la combustión o llama: Por ser materiales orgánicos altamente

inflamables se les agregan aditivos como cloruros, bromuros, fosfatos o sales metálicas

reducen la posibilidad de que ocurra o se extienda la combustión.

• Lubricantes: Se utilizan para reducir la viscosidad del plástico fundido y mejoran la

conformabilidad entre estos están la cera o el estearato de calcio.

• Agentes espumantes: Algunos polímeros pueden ser expandidos en forma de espuma,

con huecos celulares. El polímero es producido primero como pequeñas gotas sólidas que

contiene el agente expansor o insuflador. Cuando las gotas son calentadas, el polímero se

vuelve plástico, el agente se descompone para formar un gas dentro de la gota y las

paredes de ésta se expanden. Cuando las gotas preexpandidas se introducen en un molde

caliente, se juntan y pegan entre sí para producir una cierta forma. Las espumas

expandidas son excelentes materiales aislantes con una densidad excepcionalmente baja.

• Refuerzos: La resistencia y la rigidez de los polímeros se mejora introduciendo filamentos

de vidrio, polímero o grafito. Por ejemplo la fibra de vidrio consiste en pequeños filamentos

de vidrio dentro de una matriz polimérica.

• Agentes acopladores: Son añadidos para mejorar la unión del polímero con los

materiales inorgánicos de relleno, tales como las fibras de vidrio reforzantes. Una gran

variedad de silanos y titanos son empleados para este propósito.

33

• Plastificantes: Son moléculas de bajo peso molecular, o bien cadenas que, reduciendo la

temperatura de transición vítrea, mejoran las propiedades y características de

conformabilidad del polímero.

• Rellenos: Los materiales de relleno o rellenadores se añaden con muchos fines. Quizá el

ejemplo mejor conocido es el de la adición de negro de humo al caucho o hule, lo que

mejora la resistencia a la carga y al desgaste en los neumáticos. Algunos rellenadores,

como las fibras cortas o las hojuelas de los materiales inorgánicos, mejoran las propiedades

mecánicas del polímero. Otros llamados extensores, permiten que se produzca un gran

volumen de material polimérico con relativamente poca resina. El carbonato de calcio, la

sílice y la arcilla son extensores usados con frecuencia.

• Pigmentos: Los pigmentos son utilizados para producir colores en plásticos, éste debe

resistir las temperaturas y las presiones durante el procesamiento del polímero, debe ser

compatible y estable con éste.

34

1.3.4.7 SILICONES

El término “silicón” ha llegado a ser un término genérico que incluye a todos los compuestos que

contienen en su moléculas silicio y grupos orgánicos, siempre que el silicio se halle en cantidad

suficiente para poder afectas las propiedades deseadas.

El nombre de silicón se utiliza en la presente investigación para referirse al polímero con que se

fabrican los moldes utilizados para las velas, se conoce comercialmente como silicón htv por sus

siglas en inglés que significan “high temperature vulcanized” (vulcanizado a alta temperatura).

El silicón HTV se somete al proceso de vulcanizado para lograr que este material adopte una forma

definida, al estar expuesto a una alta temperatura y presión se logra que todas las reacciones de

condensación y agrupación en los enlaces del polímero se efectúen, para poder utilizar luego un

molde con una forma definida en la fabricación de velas proceso en donde se verá afectado a altas

temperaturas de llenado de las parafinas o resinas clear de las cuales se fabrican las velas. Al estar

el molde previamente curado le da estabilidad y no alterará el producto final a fabricar, las velas.

UÍ LA EXPLICACIÓN DE LA TEMPERATURA DE LLENADO DE LAS PARA

Las propiedades generales del silicón utilizado se presentan en el anexo 3 en su hoja técnica, la

fórmula y la molécula de éste material es propiedad exclusiva del proveedor por lo cual no se tiene

acceso. Con el fin de entender el proceso de fabricación del silicón se presentan las generalidades

de dicho polímero.

Los poliorganosiloxanos han sido comercializados con el nombre de silicones. Responden a la

fórmula general:

Figura No 14 Fórmula general de los silicones

donde R y R´ representa grupos orgánicos que pueden ser iguales o distintos. Los silicones son un

híbrido químico, una especie de intermedio entre polímeros orgánicos y la arena. Pertenecen al

grupo llamado polímeros inorgánicos atendiendo a que su esqueleto no es hidrocarbonado.

La mayor diferencia entre los polímeros orgánicos y los inorgánicos son su temperatura de

transición vítrea, su grado de cristalinidad y sus características específicas de fusión. Y en estas tres

diferencias se sustentan sus ventajas y aplicaciones específicas.

35

Figura No 15 Estructura molecular de un silicón

Fuente: Gómez y Bercero (2000).

En las cadenas de silicones no todos tienen el mismos ángulo de enlace así los enlaces compuestos

por Si-O-Si son diferentes a los O-Si-O, lo que obliga a la cadena a cerrarse sobre ella misma, esto

le da más flexibilidad que otro tipo de polímeros, es una característica propia de este tipo de

polímeros.

Métodos de obtención de los silicones

Los polisiloxanos se preparan a menudo por hidrólisis de los diclorosilanos y triclorosilanos y por

condensación dioles y trioles que se han formado. Inicialmente, los clorosilanos se obtuvieron por

acción del tetracloruro de silicio con un derivado organomagnesiano en éter anhidro.

SiCl4 + RMgBr → RSiCl3 + MgBrCl

SiCl4 +2 RMgBr → R2SiCl3 + 2 MgBrCl

SiCl4 +3 RMgBr → R3SiCl + 2 MgBrCl

Se han obtenido clorosilanos con radiales orgánicos diferentes fijados al silicón operando en dos

tiempos:

SiCl4 +2 RMgBr → RSiCl3 + MgBrCl

RSiCl3 +3 R´MgBr → RR´SiCl2 + MgBrCl

Este procedimiento presentan inconvenientes industriales por las inconveniencias de utilizar éter

por sus peligros industriales además posee costos muy altos. Por esto se ha sustituido al éter por

organomagnesianos clorados menos onerosos. También se han preparado clorofinilsilanos,

haciendo reaccionar el cloruro de fenilmagnesio son el tetracloruro desílico en el seno de

clorobenceno, empleado como disolvente.

36

Un procedimiento más reciente consiste en hacer reaccionar directamente los derivados

halogenados orgánicos, en fase vapor con silicio metálico, unido a otros metales que sirven de

catalizadores.

Se pueden obtener macromoléculas lineales con los silanos dioles:

y tridimensionales con los silanos trioles:

Las técnicas empleadas dependen de la naturaleza de los radicales fijados al silicio y de la forma

de los encadenamientos deseados. La hidrólisis de los diclorosilanos y la policondensación de los

silanos se efectúa simultáneamente. La hidrólisis efectuada con gran exceso de agua da

generalmente productos cíclicos o de bajos pesos moleculares, concretamente, los trisiloxanos y

tetrasiloxanos.

Para obtener silicones muy condensados, se utilizan soluciones ácidas o soluciones saturadas de

sales metálicas como FeCl3, AlCl3 y ZnCl2, etc.

Es posible realizar también la policondensación de silanoles que difieren por la naturaleza de los

radicales orgánicos o por su funcionalidad. De esta manera, para limitar a un valor determinado la

longitud de las cadenas macromoleculares, se añade una cantidad calculada de monoclorosilano al

diclorosilano sometido a hidrólisis. Las macromoléculas obtenidas no teniendo extremidades

reactivas, se encuentran estabilizadas.

37

La presencia de triclorosilanos o de tetracloruro de silicio permite crear cadenas de

entrecruzamiento, que conducen a redes macromoleculares tridimensionales, más o menos

compactas en función de las aplicaciones previstas.

La reticulación de las siliconas lineales puede efectuarse por oxidación en contacto con el aire a

300°C (572°F), por medio de peróxidos, lo que elimina cierto número de radicales orgánicos bajo la

forma de aldehído.

Esta técnica se emplea en la industria de productos de revestimiento para transformar los silicones

lineales, pudiendo aplicarse en solución, en una película insoluble, por cocción al horno, por

ejemplo se produce algo parecido a un termoendurecimiento.

38

Igual reacción puede producirse con las siliconas cíclicas, como los ciclotrisiloxanos, lo que conduce

a macromoléculas lineales de distinto tipo. Cuando el tetrámero cíclico del dimetilsiloxanos calienta

por encima de 100°C (212°F) en presencia de trazas de un ácido o base, polimeriza hasta formar

un líquido muy viscoso o una goma. El peso molecular del polímero resultante puede llegar a ser de

2 millones, lo que corresponde a unas 25,000 unidades monoméricas.

Se han sintetizado otros métodos de preparación, como la oxidación directa de los halogenosilanos

por ebullición con los óxidos metálicos como PbO en presencia de cloruro cúprico como catalizador.

Propiedades útiles de los silicones

Los silicones tienen la estabilidad de los minerales por el hecho de ser polímeros inorgánicos, pero

al haber sustituido los grupos laterales iónicos por otros grupos orgánicos neutros, son materiales

con una flexibilidad mucho mayor que el vidrio.

La mayor parte de los silicones se basan en el polidimetilsiloxano. La propiedad más característica

de este compuesto de alto peso molecular es su flexibilidad y elasticidad que se mantiene en un

amplio intervalo de temperaturas. Su temperatura de transición vítrea es -130°C (202°F) pero su

elasticidad se mantiene solo hasta –30 ó –40°C (-22 ó –40°F) (porque a esta temperatura

comienza a cristalizar) y se conserva hasta incluso los 250°C (482°F). La flexibilidad del polímero

sólido evidencia la facilidad de torsión de los enlaces el esqueleto del polímero. Esta propiedad

junto con su permeabilidad al oxígeno le da su aspecto blando, tiene también una energía cohesiva

y en consecuencia, una energía superficial muy bajas.

Otra importante propiedad de los silicones es su hidrofobicidad, repelen fuertemente el agua. A

causa de ésta propiedad se utilizan para productos que dan brillo a autos, entre otros.

Tipos de silicones

Tal como se mencionó, la mayor parte de los silicones se basan en el polidimetilsiloxano pero

también se han introducido en los polisiloxanos otros grupos sustituyentes como el vinilo, etilo,

trifluoropropileno, fenilo y bifenilo. Cada grupo mejora una determinada propiedad del material

como su resistencia a la llama, su compatibilidad con otros polímeros o su resistencia mecánica.

Los silicones se presentan en muchas formas distintas, además de ser materiales moldeables con

aplicación en producto para altas temperaturas se utilizan para repelentes de agua, lubricantes,

abrillantadores, cauchos capas protectoras, antiespumantes y fluidos estables a altas temperaturas.

39

Silicones en escalera

Una de las motivaciones para el desarrollo de polímeros con esqueletos inorgánicos fue la creencia

de que estos materiales serían más estables a altas temperaturas que los polímeros orgánicos. Los

silicones son resistentes a la oxidación y degradación a temperaturas por encima incluso de 200°C

(392°F) pero algunos pueden depolimerizar en ciclos pequeños a temperaturas superiores a 250°C

(482°F) y con ello pierden sus propiedades.

Una solución a este problema se encontró en el diseño de estructuras similares a los silicatos de

doble cadena y al material resultantes se le llamó silicones en escalera o polifenilsesquisiloxanos.

Como cabía esperar, la estructura de doble cadena restringe la movilidad de los esqueletos y los

materiales ya no son elastoméricos pero hinchados con pequeñas cantidades de disolvente, pueden

ser estirados y orientados y permanecen estables hasta incluso los 300°C (572°F).

Silicones moldeables

Existen dos tipos de silicones moldeables, los granulares y los fibrosos.

Los compuestos granulares son fluidos de silicón rellenos de minerales o de fibra de vidrio. Se

moldean por compresión y resiste altas temperaturas y descargas de arco. Las secciones más

gruesas requieren largos tiempos de curado de una o más horas.

Los cauchos de silicón son materiales moldeables de amplio uso. Por ejemplo, los diseñadores de

moldes emplean los cauchos de silicón RTV ( de vulcanización a temperatura ambiente) o silicón

HTV (de vulcanización a alta temperatura) para hacer moldes.

40

1.3.4.8 RESINAS EPOXI

Las resinas epoxídicas, epóxicas o epoxi, empezaron a comercializarse a partir de los años 50’s por

laboratorios Ciba con nombre de Araldite y por Deove Reynolds USA como EPON.

Estructura molecular

La unidad estructural es

y se obtiene por condensación de compuestos polihidroxílicos con moléculas que contengan la

agrupación oxietilénica anteriormente representada.

Más del 90% de las resinas epoxi existentes en el mercado se obtienen con bisfenol A y

epiclorhidrina estando n comprendido entre 1 y 12.

El bisfenol A puede sustituirse por otros compuesto como la resorcina, hidroquinona, pero estas

formulaciones son más caras. La epiclorhidrina puede sustituirse, a su vez por parafinas cíclicas de

mayor número de átomos de carbono. Estas resinas se presentan en estado líquido-viscoso hasta

sólido en función de n.

Propiedades de los epóxicos

El entrecruzamiento que se forma en el proceso de curado, origina resinas infusiles e insolubles y

se producen a través de endurecedores apropiados. Pueden ser de dos tipos:

41

a) Compuestos que contienen funciones capaces de agregarse al ciclo epóxico durante el

proceso de moldeo (endurecedores co-reactivos). Se trata de aminas primarias, anhídridos

de ácido o derivados de guanidina, utilizándose proporciones estequeométricas definidas.

b) Compuesto que desencadenan la copolimerización de las resinas (endurecedores

catalíticos) que son generalmente ácidos de Lewis.

En la formulación de estas resinas ( que se venden como termoplásticos líquidos) hay que

determinar el agente endurecedor, el material de carga (silicatos, caolín, talco..) los plastificantes

(ftalatos) y los llamados “terminadores” que reducen el número de enlaces cruzados. Estos

requisitos originan formulaciones muy diversas.

Es muy difícil generalizar sobre las propiedades de estas resinas dada la variedad de las mismas, no

sólo por la naturaleza de los componentes de la resina, sino también por la variedad tan amplia de

agentes de entrecruzado que se utilizan. Podría destacarse entre sus propiedades:

• Baja retracción en el moldeo

• Buen comportamiento térmico hasta 180°C (356°F) (puede variar según sea el caso del

plástico en estudio)

• Buena resistencia a los agentes químicos

• Buena adhesividad

• Excelente propiedades mecánicas

1.3.5. PROCESOS

1.3.5.1 DIAGRAMAS DE FLUJO

A continuación se presentan los diagrama de flujo de todos los procesos involucrados con el

presente trabajo para tener un mejor conocimiento de el funcionamiento de la fábrica de

moldes dentro de la empresa manufacturera de velas .

• Diagrama de interacción por departamentos de la empresa para la

producción candelas: En el anexo 4 se presentan como está involucrado el

departamento de moldes dentro de las operaciones de la empresa manufacturera

de velas y su interacción con los otros departamentos.

• Diagramas de flujo de proceso producción moldes: Ver el anexo 5.

42

• Diagrama de flujo del proceso general de fabricación de moldes vulcanizados:

Presentado en el anexo 5A.

• Diagrama de flujo de proceso de fabricación de la matriz de aluminio por el

proveedor: Consultar anexo 5B.

• Diagrama de flujo de proceso de la matriz propuesta de epóxico: Anexo 5C.

• Diagrama de flujo de proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv: Anexo 5D.

1.3.5.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DE MATRICES DE ALUMINIO

Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 6.

1.3.5.3 ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR

Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 7.

1.3.5.4 MÁQUINA VULCANIZADORA

Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 8.

1.3.5.5 VULCANIZAR

Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 9.

43

MARCO DOS : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA

El proceso de vulcanizado es el más utilizado para la fabricación de moldes de silicón para velas

aromáticas, debido a que el silicón es un polímero estable, flexible, maleable, que polimeriza a alta

temperatura (htv) y soporta las temperatura de llenado de las velas y es inerte hacia éstas; la

vulcanización sirve para darle estabilidad al silicón al elevar la temperatura logrando con esto una

forma definida y no variable ideal para la producción de las candelas.

La máquina vulcanizadora presenta condiciones de alta temperatura y debe resistir un impacto

mecánico alto, es por ello que las matrices actualmente usadas son de aluminio; se desea cambiar

éste por un polímero que soporte las condiciones de operación del vulcanizado similar al aluminio,

esto servirá además para disminuir costos dentro de la empresa ya que se depende de un

proveedor que fabrica las matrices a utilizar; contando con dicho polímero se podrían elaborar

dentro del taller de moldes las matrices necesarias de una forma fácil y tener la confidencialidad de

los diseños de la empresa.

Se ha elegido investigar un epóxico porque estos polímeros tienen la propiedad de tener un alto

punto de fusión permanecen estables a altas temperaturas, se pueden polimerizar a con un proceso

de curado sencillo, poseen alta resistencia mecánica y generalmente son inertes a otros materiales

plásticos.

La empresa en donde se realizó la presente investigación, se dedica a la fabricación de velas

aromáticas y tiene su fábrica propia de moldes que es el departamento que da inicio al proceso de

producción de las candelas. En la fábrica de moldes no se cuenta con un control adecuado de

control de calidad de materia prima para el silicón htv. Hace falta un mantenimiento preventivo de

la máquina vulcanizadora, además los moldes a producir para candelas son de formas irregulares y

el proceso de curado es muy complicado ya que dependiendo de las figura de los moldes, cantidad

de masa de silicón que se utilizará, tiempo ideal de curado, diseño de la matriz adecuada siendo las

matrices de aluminio fabricadas de manera artesanal (copiado con alginato, fresado, etc)

presentan muchos errores que afectan de manera directa la producción de moldes con problemas

como porosidad, asimetría, desplazamiento del silicón htv dentro de la máquina y matriz errado,

44

tiempo prolongado de espera de la fabricación de la matriz por el proveedor, alto costo; todos los

anteriormente factores descritos hacen que la presente investigación sea de gran importancia. La

empresa se dedicada a la exportación de velas; al tener moldes con errores afecta de manera

directa el producto final de la empresa, aumentando los niveles de reproceso, desperdicio que

acarrean pérdidas, sin un molde con buena resolución de copiado transmitida de la matriz se

producirán velas; que no cumplen con los estándares que el mercado exigente de exportación

requiere.

Es por ello que surge la pregunta de la investigación: ¿Es posible encontrar un polímero que

pueda utilizarse para fabricar matrices que sustituyan las matrices alumínicas para la

fabricación de moldes vulcanizados de silicon HTV para una industria de velas

aromáticas?

2.1. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

2.1.1 OBJETIVO GENERAL

• Proponer un polímero epóxico para sustituir el aluminio en la elaboración

de matrices para el proceso de fabricación por moldeo por compresión (vulcanizado)

de moldes de silicón HTV, en una industria de velas aromáticas.

2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Probar que en la actualidad existen compuestos orgánicos sintetizados químicamente

como los epóxicos que pueden cumplir las propiedades fisicoquímicas de un metal

como lo es el aluminio en el proceso de vulcanizado de moldes de silicón.

• Reducir costos de proveedor de matrices de aluminio al tener dentro del taller de

moldes la técnica para la fabricación de las matrices cuidando la confidencialidad de los

diseños exclusivos de las velas, disminuyendo costos de fabricación de los moldes.

• Mejorar el procedimiento de fabricación moldes al tener un material fácil de manipular

y no depender de un proveedor de matrices el tiempo de fabricación de moldes

vulcanizados será reducido, que es el tiempo previo al arranque de producción de

candelas.

45

• Aumentar las opciones de materiales a trabajar en la máquina vulcanizadora, ya que

actualmente sólo se utilizan aleaciones de aluminio, cobre, acero inoxidable, antimonio.

46

HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN

HIPOTESIS

El epóxico soporta las condiciones de operación (temperatura, resistencia mecánica, tiempo de

vulcanizado) del aluminio para el proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv en una

fábrica de velas aromáticas, utilizado como sustituto y logrando bajar el costo.

HIPÓTESIS NULA

El epóxico no soporta las condiciones de operación (temperatura, resistencia mecánica,

tiempo de vulcanizado) del aluminio para el proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv en

una fábrica de velas aromáticas, por lo tanto no puede ser utilizado como sustituto y no logra

bajar el costo.

47

VARIABLES

VARIABLES INDEPENDIENTES

• Material de fabricación de la matriz

VARIABLES DEPENDIENTES

• Temperatura

• Tiempo de exposición

2.4 DEFINICIÓN DE VARIABLES

TEMPERATURA

a) Definición conceptual: Variable intensiva y función de estado que puede

definirse como una medida indirecta del grado de excitación de la materia o de lo

caliente que está; se mide con aparatos llamados termómetros, que usan escalas

arbitrarias (Valiente, 1990).

b) Definición operacional: La tolerancia de temperatura que se necesita para que

sea efectiva el vulcanizado sea efectivo sin deformarse o alterar la matriz.

TIEMPO DE VULCANIZADO

a) Definición conceptual: Tiempo en que se efectúa el proceso de calentamiento

de un polímero que aumenta la elasticidad y la resistencia a la tensión, a sudar e

hincharse. (Valiente,1990).

b) Definición operación: Tiempo en el cual el silicón toma la dureza, y

propiedades necesarias para realizar el molde.

MATERIAL DE LA MATRIZ

a) Definición conceptual: Término común utilizado en lugar de sustancia.

(Valiente,1990).

b) Definición operación: Sustancia con la cual se fabrica la matriz que sirve para la

fabricación de moldes vulcanizados.

48

2.5 ALCANCES, LÍMITES Y LIMITACIONES

ALCANCES Y LÍMITES

El proponer un polímero para la elaboración de matrices que se fabrican comúnmente de

aluminio para ser empleado en la fabricación de moldes para la industria de velas aromáticas

permitirá implementar técnicas de ingeniería para poder mejorar el proceso e independizarlo de

los proveedores actuales, aplicando conocimientos de química y un análisis de costos para poder

implementar dicho proyecto. El trabajo presenta las bases necesarias como la información para

llevar a cabo los procedimientos dentro o fuera de una industria de velas que utilizan éste

método de moldeo en otras industrias.

LIMITACIONES

La limitación principal se relaciona con la confidencialidad de los datos y procesos que

proporcionó la empresa bajo estudio. En función de ésta confidencialidad, los datos de medidas

y fabricación llevaron consigo una alteración.

Además dentro de los límites también se encuentran:

• Los diversos proveedores de plásticos no facilitaron tanto las fórmulas específicas de

los plásticos ya que dentro de sus políticas también se encuentra la confidencialidad.

• Tampoco proporcionaron los proveedores datos experimentales como el Cp (capacidad

calorífica), las curvas de curado, etc, es por ello que se buscaron similares.

• Falta de equipo para hacer todas las pruebas necesarias como una máquina Instron

para hacer las mediciones de resistencia tensil.

• Por ser un proyecto de investigación y desarrollo se contó con un tiempo restringido

para las pruebas y resultados.

• El tiempo limitado dentro del cual se llevaron a cabo los experimentos por ser un

proyecto asignado dentro de la empresa.

• Por ser un proceso controlado con condiciones de operación definidas para el curado

del silicón HTV, estas estubieron limitadas a utilizarse en rangos establecidos.

49

• Por confidencialidad de la empresa no fue permitido publicar las especificaciones del

equipo utilizado.

2.6 APORTES

A la Universidad

El trabajo servirá como una futura referencia para trabajos a desarrollarse en los años por venir, así

como una guía de apoyo para desarrollar investigaciones y/o trabajos.

A la Facultad

Representa la culminación de los conocimientos adquiridos durantes la carrera al ser aplicados de

forma práctica en situaciones de la industria del país.

A la Sociedad

Ampliará los horizontes de la industria guatemalteca y servirá como una premisa para poder

desarrollar y mejorar el conocimiento y los procesos de la industria en general.

A la Empresa

Reducción de costos de proveedores al proporcionar un estudio detallado de procesos nuevos en

un mercado creciente, aumentando la productividad de la empresa al ampliar las opciones de

trabajo de la maquinaria existente, cuidando los diseño exclusivos de las matrices de las velas

aplicando los conocimientos y principios de Ingeniería Química Industrial.

50

MARCO TRES: MÉTODO

3.1 SUJETOS Y UNIDADES DE ANÁLISIS

Los sujetos y unidades de análisis a investigar son:

Gerente fábrica de moldes: Es un profesional graduado de Ingeniería industrial, con gran

experiencia acerca de todos los materiales y procedimientos de fabricación de moldes.

Proveedores actuales de matrices de aluminio: Actualmente se cuenta con varios

proveedores locales que fabrican las matrices por varios procesos para el tratamiento del

aluminio como fresado, moldeo con alginato, etc.

Proveedores de polímeros epóxicos: quienes ofrecen una amplia variedad de polímeros

utilizados en diversas industrias, con propiedades especiales de plásticos de ingeniería, son

fabricantes reconocidos a nivel mundial.

Proceso de vulcanizado de moldes: Es el objetivo del estudio mediante el cual se recaba

información necesaria para sustituir las matrices metálicas por epóxicos en la máquina

vulcanizadora.

INSTRUMENTOS

Se utilizaron los siguientes instrumentos:

Entrevistas: Se utilizó la entrevista como medio para obtener información acerca de los

sujetos por ser de uso práctico, directo y fácil.

Visitas técnicas: Estas se realizaron a diversos talleres en donde se fabrican matrices de

aluminio para conocer el proceso actual y tener así un marco comparativo.

Observación directa : Se realizó una observación libre, debido a que es espontánea y no

sistemática, con el propósito de captar información valiosa acerca de cómo ser desenvuelven

los procesos dentro del ámbito industrial, así como el funcionamiento de las máquinas,

características de la materia prima.

51

Mediciones experimentales: Se realizaron pruebas para comprobar la hipótesis del presente

trabajo.

EQUIPO UTILIZADO:

Máquina vulcanizadora: Utilizada para las mediciones de las condiciones de operación de la

máquina, también medición de la matriz de aluminio, prueba de resistencia de la matriz epóxica.

Horno : En éste equipo se realizó el ciclo de curado para la matriz epóxica.

Termómetro de superficie : Con el cual se tomaron las mediciones de temperatura de todo el

presente proyecto.

Por confidencialidad de la empresa, no se presentan las especificaciones del equipo.

52

3.3 PROCEDIMIENTO

Se realizaron las siguientes actividades:

• Entrevistas a Gerente de la fábrica de moldes, personal operativo del departamento de

moldes, gerentes de los diversos proveedores de matrices.

• Visitas técnicas a fabricantes de matrices de aluminio.

• Selección de materia prima (polímero epóxico) capaz de sustituir y cumplir las

funciones del aluminio en el proceso de vulcanizado de moldes, partiendo de las

propiedades fisicoquímicas de las matrices metálicas.

• Evaluación general y planteamiento de análisis de Transferencia de calor en la máquina

vulcanizadora.

• Medición de condiciones de trabajo en las máquina vulcanizadora y condiciones del

material para determinar si el proceso era efectivo, utilizando la matriz alumínica.

• Fabricación de la matriz del polímero epóxico propuesto.

• Medición de la resistencia de temperaturas del material propuesto dentro de la

máquina vulcanizadora

• Comparación de los resultados que se obtuvieron, análisis de costos, aceptación o

rechazo de la hipótesis.

• Redacción de conclusiones y recomendaciones en base a los resultados.

53

MARCO CUATRO: RESULTADOS

4.1 MEDICIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN

El primer paso fue la investigación teórica del proceso de curado del silicón HTV las propiedades de

este tipo de polímeros y su comportamiento, así como documentación de los procedimientos para

llevar a cabo dicho proceso es necesario entender la química y el proceso fisicoquímico del

vulcanizado previamente es por ello que toda esta información se presenta en el marco teórico.

4.1.1 EVALUACIÓN GENERAL Y PLANTEAMIENTO DE ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE

CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA

En el proceso de vulcanizado, que fue anteriormente descrito, los fenómenos de calor que ocurren

se ilustran en el anexo 10. Estos procesos son:

1. Conducción de las resistencias (Qc) las cuales por medio de energía eléctrica transmiten el

calor a las planchas de la máquina vulcanizadora que son de acero inoxidable, luego el

calor es transmitido a la matriz de aluminio por conducción en donde en la parte inferior

contiene el material a vulcanizar que es silicón prepolimerizado en forma de pasta tal como

lo abastece el proveedor, el mecanismo que predomina también aquí es la Conducción; no

se puede hablar de convección en este caso pues no se trata de un fluido en movimiento,

aunque el silicón sea un semisólido no se puede considerar como un fluido, y en todo caso

no está en movimiento.

2. Perdidas de calor por radiación QR como la naturaleza del flujo de calor es de la

temperatura más elevada hacia la más baja, por radiación existen pérdidas de calor hacia

el ambiente que está aproximadamente a 25°C (77°F) es por ello la importancia de aislar el

proceso con material refractario para que no existan pérdidas en altos rangos.

3. Controlar las condiciones de formación del termoestable (proceso de curado o vulcanizado)

es fundamental para conseguir las propiedades del material deseadas, la reacción en este

caso del polímero que se describe más adelante.

Dentro de los objetivos del presente trabajo no se presenta medición de las pérdidas de calor al

ambiente, solamente se harán las observaciones necesarias para el mejoramiento del proceso ya

que la medición de dichas pérdidas conllevan a una serie de análisis de índices que deben hacerse

en forma experimental para averiguar los Coeficientes de transferencia de calor, conductividades

térmicas de los materiales involucrados según de cada material involucrado; por lo tanto solo se

presenta un panorama de los fenómenos de Transferencia de calor que se llevan a cabo en el

proceso.

54

Luego se efectuaron las siguientes mediciones que daban las condiciones de trabajo reales en el

equipo a trabajar:

4.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS DE LA MÁQUINA

VULCANIZADORA

Para este procedimiento se llevaron a cabo varias mediciones en la máquina vulcanizadora las

cuales sirvieron para determinar las temperaturas promedio de operación del equipo, ya que como

se explicó en el marco teórico, la transferencia de calor de la máquina de las resistencias hasta la

matriz es por conducción y existen muchas perdidas al ambiente por radiación debido a la falta de

aislamiento del equipo de sus alrededores es por ello muy importante esta medición. Se realizó

previamente una precalentamiento de la máquina por dos horas para tener un sistema previamente

estabilizado y con diferenciales de temperatura más pequeños; además también se precalentó dos

horas la matriz alumínica por el mismo motivo; de allí en adelante se efectuaron las mediciones

que aparecen en el anexo 11.

4.1.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LA SUPERFICIE DE LAS MATRICES DE

ALUMINIO

Medición de temperaturas en condiciones normales de vulcanizado, con una matriz de aluminio

también esta medición se efectuó para tener las condiciones necesarias de temperatura con que se

trabajaba el vulcanizado el diagrama de puntos de medición en la matriz y sus dimensiones se

presentan en el anexo 12, los datos tabulados de las mediciones de la matriz de aluminio aparecen

en el anexo 13, así como una gráfica de los mismos en el anexo 14.

4.2 ELECCIÓN DEL EPÓXICO QUE SUSTITUIRÍA AL ALUMINIO

Elección del material epóxico con los diferentes proveedores más conocidos y experimentados en

polímeros de ingeniería. La selección se realizó investigando las propiedades de trabajo y

condiciones de operación necesarias es por ello se encontró el epóxico especial ver hoja técnica en

el anexo 15.

4.2.1 FABRICACIÓN DE LA MATRIZ EXPERIMENTAL DEL EPÓXICO

Según las especificaciones del proveedor se realizó una matriz de prueba con las mismas

especificaciones y puntos de medición de la matriz de aluminio que se evaluó para dimensiones

observar el anexo 12. Para ello se utilizó un molde de aluminio de las mismas especificaciones

especialmente fabricado para las pruebas.

55

El proceso de fabricación y curado para la matriz epóxica fue el siguiente:

1. . Mezclar la proporción indicada de la resina epóxica 29% endurecedor y 71% de resina base a temperatura ambiente en un recipiente, agitar con una varilla de vídrio hasta lograr una mezcla homogénea.

2. Dejar reposar la resina durante 24 horas a 20 °C (68°F) o temperatura ambiente en el molde que se desea dar forma.

3. Secar en horno durante 12 horas a 45°C (113°F) y luego desmoldar la pieza.

4. Secar en el horno durante 1 hora a 60°C ( 140°F).

5. Secar en el horno durante 1 hora a 80°C (176°F).

6. Secar por 2 horas en el horno a 120 °C (248°F).

7. Secar durante 4 horas a 160 °C (320°F).

8. Bajar la temperatura a razón de 20/25 °C (68/77 °F) por hora.

Figura No 15 Diagrama de Flujo del proceso de curado de la matriz epóxica. Fuente: Hoja técnica del proveedor

56

El proceso de curado fue muy difícil de controlar debido a ser la primera vez que este material se

trabajaba. Se experimentó en varias ocasiones hasta lograr la matriz necesaria con una dureza

aceptable. El epóxico propuesto tiene partículas de aluminio dentro de su composición y en las

primeras corridas no se logró un vulcanizado exitoso. El proceso de curado del epóxico conlleva

control de temperaturas estricto a las cuales la matriz fue sometida, para ello se utilizó un horno;

el propósito del curado es el mismo que en el silicón, lograr una reestructuración molecular que le

de mayor resistencia al epóxico. En el anexo 15 se presenta la hoja técnica del epóxico.

4.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN CONDICIONES NORMALES DE VULCANIZADO

CON UNA MATRIZ DEL EPÓXICO PROPUESTO

Los puntos de medición en la matriz del epóxico fueron los mismos que en la matriz de aluminio y

las dimensiones también, ver anexo 12. Se presentan los datos medidos y tabulados dentro de la

máquina vulcanizadora con la matriz de epóxico en el anexo 16 y la gráfica respectiva en el anexo

17.

4.4 MEDICIONES DE APOYO A LA INVESTIGACIÓN

4.4.1 MEDICIÓN DE PUNTOS DE FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR

Esta prueba se realizó para justificar la utilización de moldes vulcanizados en el proceso de

fabricación de velas, el punto de fusión es una propiedad intensiva pero al querer fundir grandes

cantidades de masa de parafina las moléculas que están en contacto con la base en donde se

aplica calor se funden, pero no todo el sistema está expuesto al mismo tiempo en el lugar de

contacto; es por ello el tiempo aumenta para lograr fundir toda una maqueta de parafina. En el

anexo 18 se presentan algunos datos para familiarizarse el punto de fusión de las candelas.

4.4.2 PRUEBA DE LA LLAMA PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL SILICÓN HTV

El comportamiento de un termofijo sometido a altas temperaturas es de destrucción, es decir no se

funde es por ello no son reciclables. Esta prueba se realizó para comprobar que le sucede a un

molde que no está vulcanizado correctamente. (Ver resultados tabulados en el Anexo 19).

4.5 ANÁLISIS DE COSTOS

En base al procedimiento hecho para la elaboración de la matriz propuesta del epóxico, y los costos

de las matrices de aluminio se presenta un cuadro con sus ventajas y desventajas de cada material.

En él se puede observar la razón primordial de haber resultado exitosa esta prueba se reducen los

costos de una gran manera. (Ver cuadro comparativo en el Anexo 20).

57

MARCO CINCO: DISCUSIÓN

La hipótesis que se evaluó en el presente trabajo de investigación proponía la sustitución de una

matriz de aluminio por un plástico que cumpliera todas las condiciones necesarias para una

máquina vulcanizadora (curado a alta presión y temperatura) , entre los aspectos limitantes del

proyecto se tenían:

- Corto tiempo para la aprobación o desaprobación del plástico ya que la producción de moldes

para la fábrica de candelas era en base a la demanda de nuevos diseños que se le fabricaban a los

clientes.

- Falta de datos del termoplástico propuesto (epóxico) por ser un material de ingeniería

especialmente sintetizado por el proveedor, no se facilitaron por éste los datos como

confidencialidad del fabricante.

- Limitantes de equipo para realizar pruebas de identificación del material, resistencia.

- Confidencialidad de los datos de operación, costos, procedimientos limitante por confidencialidad

de la empresa en donde se realizó el estudio

- Restricción de no variar ninguno de las condiciones de operación para que el vulcanizado ya

estandarizado de los moldes de silicón htv.

Las mediciones de temperatura se realizaron con un termómetro de superficie o termocupla, en

lapsos de tiempo programados cada 15 min para registrar el comportamiento de los diferentes

materiales. Se evaluó previamente la eficiencia y eficacia del sett (temperatura de la máquina

vulcanizadora que la presentan en un panel), esto fue para corregir los datos si existiese un

porcentaje alto de error del panel a los puntos de la plancha. Los datos obtenidos no fueron

satisfactorios en base a las temperaturas del sett con las evaluadas en las planchas de la máquina.

Es importante recalcar que estas temperaturas no son a las que se somete el silicón en la

fabricación del molde por las diversas pérdidas de temperatura al ambiente dentro del proceso, y

es por ello que se utiliza temperaturas por encima de los requerimientos. Para la medición de

temperatura de la plancha en la máquina vulcanizadora se realizó en dos sectores, plancha

superior e inferior. En cada una de las planchas se marcaron nueve puntos para poder tener un

dato promedio de la temperatura a la cual la máquina trabaja, con ésta prueba se pudo comprobar

que por ser una transferencia de calor conductiva de las resistencia que posee la máquina

vulcanizadora dentro de las planchas de metal y por contar con un área grande existen pérdidas de

calor por radiación al ambiente, además todas las resistencias pueden poseer partes quemadas o

dañadas debido a que las temperaturas presentaron desviaciones estándar muy altas. Existen

pérdidas de calor en esta parte del proceso, no se contaba con la capacidad calorífica del tipo de

material de las planchas para calcular el valor; además el proceso es abierto al ambiente lo que

58

hacen muy difícil la medición. Como se puede observar en las tablas de resultados de las

mediciones de las planchas, la planta inferior presenta mayores deficiencias de calentamiento. La

prueba se realizó después de un calentamiento previo de 2 horas de la máquina (que es lo que se

tarda normalmente dicha máquina) para estabilizar la temperatura; también este aspecto se hizo ya

que en base a la experiencia de la fabricación de moldes se ha comprobado que es el tiempo ideal

para el proceso.

La elección del epóxico se hizo después de consultar a los mejores fabricantes de plásticos de

ingeniería según la tabla No 4 que presenta el motivo de rechazo en la elección del material:

MATERIAL MOTIVO DE RECHAZO

Epóxico con partículas de fibra de

vidrio

Podría contaminar en alto grado los moldes que a su vez

contaminarían las velas, alterando los estándares de control

de calidad de las velas.

Epóxico reforzado con partículas de

cerámica

Punto de fusión muy bajo, presentó deformaciones al ser

sometido a altas temperaturas

Otros Se realizaron pruebas con plásticos no epóxicos que no se

mencionan debido a que fueron altamente porosos, mala

resolución de copiado y con resistencia baja a altas

temperaturas y presiones, por lo que también fueron

rechazados.

Tabla No 4. Epóxicos propuestos para elaboración de matriz que sustituiría al aluminio

El material elegido fue un epóxico reforzado con partículas de aluminio debido a que llenaba con los

requisitos necesarios de resistencia alta de temperatura, resistencia mecánica alta, buena

resolución de copiado de formas especiales y fácil de manipular. Este polímero será identificado en

el trabajo como “ epóxico “ en el anexo 15 se presentan los datos técnicos del proveedor,

nuevamente no presentan la fórmula por ser propiedad del fabricante.

El epóxico llevó un proceso de curado por ser también un polímero termoestable o termofijo,

necesita de un proceso térmico para que los enlaces que lo componen puedan estabilizarse

formando cadenas capaces de soportar las condiciones necesarias para fabricar los moldes de

silicón htv. El proceso de curado para el epóxico es el descrito en la figura No 15 en donde se

presenta el diagrama de flujo del tratamiento térmico.

59

El epóxico es un polímero que necesita ser mezclado previo al curado, las proporciones de la

mezcla son también especificadas por el proveedor, el proceso de curado es largo y debe ser

controlado estrictamente con las correcciones necesarias de temperatura para que sea efectivo, ya

que si el epóxico está mal curado difícilmente soportará las condiciones de alta temperatura y

presión para lo cual se utilizará.

La medición de la matriz de aluminio en la máquina vulcanizadora se hizo para ver el

comportamiento de la temperatura dentro de la máquina previamente calentada para tener un dato

comparativo. Se utilizaron dos matrices idénticas tanto la de aluminio como la del epóxico divididas

con cinco puntos para facilitar la medición; por ser una pieza completamente sólida la transferencia

de calor es más lenta, también es por conducción, el aluminio tiene una alta capacidad calorífica,

resistencia térmica y resistencia mecánica elevada, por lo que lo hace ser el metal utilizado por

excelencia en el proceso. Entre las desventajas del aluminio están mala calidad de copiado, costo

de elaboración alto y es fabricada la matriz de una manera artesanal, lo que provoca tenga

muchos errores en el diseño. Los datos de las mediciones de temperatura de la matriz alumínica, se

encuentran en el anexo 13 al igual que la gráfica de las mismas presentada en el anexo 14, la

matriz se calentó durante 2 horas antes de iniciar con la producción de moldes de silicón htv y la

temperatura ideal para vulcanizar es 195°C (383°F) mientras debe estar por encima de 230°C

(446°F) de nuevo esto es para evitar que las pérdidas de calor afecten la operación de vulcanizado.

Después de fabricar y curar una matriz de idénticas proporciones a la de aluminio de epóxico se

sometió a las mismas condiciones que a la matriz de aluminio, y entre las inconveniencias que

presentó fueron:

• Mala conducción de calor: los plásticos son malos conductores es por ello este plástico

posee en su formulación partículas de aluminio pero no fueron suficientes ya que las

temperaturas presentaron un comportamiento casi estacionario en la matriz, aspecto que

no es conveniente para el fin de la máquina que debe tener una temperatura homogénea

para vulcanizar el molde de silcón htv completamente.

• El proceso de curado es tedioso y complicado, se debe tener un control exacto de las

temperatura de curado, por lo que se tuvo que experimentar varias veces para poder darle

un tratamiento térmico exitoso a la matriz.

Se expuso la matriz de epóxico por un mayor tiempo esperando un comportamiento positivo para la

prueba (ver datos en los anexos 16 y 17) pero las diferencias de temperatura siguieron muy

marcadas y cuando una de las superficies en contacto directo con las planchas de la máquina

60

vulcanizadora llegó a una temperatura muy elevada en el punto E; después de 3 hrs de

calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora se presentó una deformación en la

matriz, el plástico llegó a su punto de ignición y se destruyó. La temperatura del punto E era

115.58°C (240.04°F) aunque la especificación del fabricante aseguraba que el material soportaba

una temperatura de 195°C (383°F), el fabricante también aclara que todos los datos pueden variar

ya que son experimentales. Es por esta razón principalmente unida a la mala conductividad térmica

hacia el punto medio de la matriz que la hipótesis de esta tesis es RECHAZADA.

5.1 CONCLUSIONES

• Al ser rechazada la hipótesis, no se lograron los objetivos de la investigación pero servirá

para dar las bases de estudios similares y posteriores sobre sustitución de metales por

polímeros.

• El proceso de fabricación de moldes de silicón htv por moldeo por compresión y alta

temperatura debe ser eficiente y controlado para lograr moldes de calidad que sean

curados a la temperatura crítica ideal para que sean útiles en el proceso de fabricación de

velas.

• El porcentaje de eficiencia de la temperatura del sett de la máquina vulcanizadora vrs las

temperaturas reales de las planchas tienen un alto porcentaje de error en base a sus

relaciones estándar, lo que significa que la máquina tiene un funcionamiento deficiente, la

plancha superior está más fría que la inferior; es por ello se recomienda darle un

mantenimiento preventivo para que no fallen en el futuro.

• El aluminio es el material ideal para el proceso de curado de moldes de silicón htv debido a

sus propiedades únicas de alta resistencia térmica, mecánica y buena conductividad

térmica al tratar de sustituirlo por un epóxico con partículas de aluminio.

• El epóxico reforzado con partículas de aluminio por ser un plástico de ingeniería, es un mal

conductor de calor, lleva un proceso complicado de curado además que se destruyó al

llegar a un rango de temperatura menor que lo que las especificaciones que el proveedor

indicaba. Esto puede ser debido a que el punto de ignición es mucho más bajo que el

teórico que el proveedor indica.

• Los perfiles de temperatura en el transcurso del tiempo del proceso no son lineales como

deberían de ser idealmente, debido a las pérdidas de calor al ambiente.

61

5.2 RECOMENDACIONES

• Se recomienda no utilizar este tipo de plástico de ingeniería para sustituir al aluminio en el

caso particular de la fabricación de moldes htv, debido a que tiene mala conductividad

térmica y además a pesar de haber llevado un proceso de curado del epóxico fue incapaz

de soportar una alta temperatura, por el contrario el aluminio soporta altas temperaturas

por largos tiempos debido a que es un metal, y no sufre deformaciones significativas.

• También recubrir todo la máquina vulcanizadora con material refractario para evitar tantas

pérdidas de calor ya que es parte del control de costos que se deben tener, previo a un

diseño adecuado del recubrimiento aislante que no afecte el funcionamiento de la máquina.

• No se recomienda este tipo de plástico como el epóxico presentado en la investigación para

sustituir al aluminio en la fabricación de matrices para proceso térmicos como es el

vulcanizado de moldes de silicón, si en dado caso existiera la posibilidad de hallar uno debe

ser el parámetro de elección no solo las propiedades fisicoquímicas y de resistencia sino las

propiedades de conductividad térmica y un alto punto de ignición.

• Establecer un control de calidad para el proceso de producción de moldes, que contemple

aspectos como control de materias primas, proceso de vulcanizado (estudio de tiempos y

movimientos del proceso) y control de producto terminado en el caso de los moldes que

luego se utilizarán en la fabricación de velas. Esto servirá para eliminar los punto críticos

dentro del departamento de moldes.

• Implementar un plan de seguridad industrial para todos los procedimientos involucrados en

la fabricación de moldes y también mejoras de seguridad industrial dentro de la empresa

manufacturera.

• Buscar soluciones alternativas para reducir el impacto ambiental de la fabricación de

moldes de htv, ya que aunque no se conoce todavía la técnica para su reciclaje, se puede

buscar otros usos para dichos moldes .

• Tener un control adecuado del almacenaje de los moldes ya fabricados por vulcanizado de

silicón htv para que no sufran daños como deformaciones por mal almacenamiento.

62

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Achaerandio Zuazo, Luis S.J., (1995)Iniciación a la Práctica de la Investigación, Universidad

Rafael Landívar, Guatemala.

After Odian, George, (1991), “Principles of polymerization”,(3° Edición) , J Wiley. New York,

USA.

Askeland, Donald R, (1987), “ La ciencia e ingeniería de los materiales”, Grupo Editorial

Iberoamérica, México.

Cowie J.M.G, (1991), “Polymers: Chemistry and physics of Modern Materials”, ( 2° Edición),

Blackie Grasgow, USA.

Gómez Antón, María Rosa y Bercero,Gil, (2000), “Educación medioambiental: Los plásticos y

su reciclado” , Universidad Nacional de Educación a distancia, Madrid España.

McCabe Warren, L; Smith, Julian; y Harriott, Peter, (1991), “Operaciones Unitarias en

Ingeniería Química”, (4ª edición), Edit Mc Graw Hill,España.

Perry, Robert; Green, Don; y Maloney,James, (1992), “Perry Manual del Ingeniero Químico”,

Tomos I y II, (4a edición), Mc Graw Hill, México.

Shackerford J ,(1995), “Ciencia de Materiales para Ingenieros Químicos”,(4ª edición), Mc

Graw Hill, México.

63

Valiente Barderas, Antonio, (1990), “Diccionario de Ingeniería Química”,(1ª edición), Longman

de México Editores S.A, México.

Wordingham , J.A y Rebual P,(1980), “Diccionario de Plásticos”, Editorial Victor Leví SRL Don

Bosco 3834, Buenos Aires, Argentina.

Young, R.J., (1989),“Introduction to Polymers”,Prentice & Halll,USA.

64

ANEXO 1: PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL ALUMINIO PURO

Según Perry(1992) los datos del aluminio puro son:

Símbolo Al

Número atómico 13

Peso atómico 26,98

Cristalización en la red cúbica centrada en las caras Lado a = 4,04 -8 cm

Peso específico 2,699

Conductividad eléctrica a 20 ºC 34,6 m/Ohm.mm 2

Resistividad eléctrica a 20ºC 2,655 microhms.cm 2 /cm

Conductividad calorífica a 0ºC 0,53 cal/cm X S.ºC

Coeficiente de dilatación lineal de 20ºC a 100ºC 23,6 X 10 -6 X ºC

Punto de fusión 660ºC

Calor latente de fusión 94,5 calorías/gr

Calor específico medio 0,215 cal/g. ºC

Punto de ebullición 2.450ºC

Calor de combustión 380,8 K. Cal/mol

Equivalente electroquímico 0,3354 gr/amp.hora

Módulo de elasticidad 7.200 kg/mm 2

Resistencia a la tracción fundido 9-12 kg/mm 2

Resistencia a la tracción laminado (duro) 18-28 kg/mm 2

Resistencia a la tracción recocido ( blando) 7-11 kg/mm 2

Dureza fundido 24-32 HB

Dureza laminado duro 45-60 HB

Dureza recocido 15-25 HB

Alargamiento fundido 18-25%

Alargamiento laminado duro 3-5%

Recocido 30-45%

Contracción al solidificarse fundido en arena 1,600%

Contracción al solidificarse en coquilla 1,825%

Debido que las aleaciones de cada una de las matrices varían según el proveedor que se utilizó, se

usarán las anteriores propiedades del aluminio como referencia.

65

ANEXO 2 : REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LOS

POLÍMEROS

Figura No 16 Cuatro formas de representar la estructura de un polímero: (a) Modelo sólido tridimensional.(b) Modelo espacial tridimensional. (c) Modelo bidimensional que muestra la forma de la cadena polimérica. (d) Modelo bidimensional simple.

66

ALGUNOS DATOS DE COMPUESTOS TERMOFIJOS:

NOMBRE MONÓMERO APLICACIONES TÍPICAS

Epoxis

R y R´son moléculas complejas polifuncionales

Adhesivos , compuestos de fibra de vidrio, revestimientos,etc

Silicones

Empaques, adhesivos,etc

Fuente: Shackelford (1995).

Polímero Estructura Resistencia a la tensión (psi)

Elongación (%)

Módulo de elasticidad (ksi)

Epóxicos

4000 –15000 0-6 400-500

Silicones

3000-4000 0 1200

Fuente: Askeland (1987).

67

ANEXO 3: DATOS TÉCNICOS DEL SILICÓN HTV

Descripción del Producto:

El silicón HTV es un elastómero de alta resistencia con Shore A 35-50. Están diseñados con

aditivos especiales para resistir altas temperaturas.

Datos típicos del producto:

PROPIEDADES DATOS

Gravedad especifica 1.09 ±0.3

Apariencia Traslúcida

Presentación Pasta para vulcanizar

Aplicaciones:

El silicón HTV es un elastómero con propiedades para utilización en moldeo a altas temperaturas

para diferentes tipos de materiales.

Especificaciones:

Los datos típicos del producto no tienen especificaciones, su fórmula es propiedad del proveedor.

Aditivos:

NOMBRE NOMBRE CIENTÍFICO CANTIDAD PROPIEDADES

Agente estabilizador de calor

**** 1% Gravedad específica = 1.27 Apariencia= off white

retardador de flama **** **** ****

agente de poscurado **** **** ****

agente plastificante **** **** ****

Reduce el tiempo de curado

Bis 2,4-dichlobenzoyl peróxido CAS # 133-14-2 óxido de magnesio

1% ****

Tiempos de curado:

La temperatura ideal para curado es 192°C (378°F) por 10 min, pero depende de la cantidad de la

masa.

PROPIEDAD PRECURADO POSCURADO

Dureza (Shore) 32 35

Fuerza tensil (psi) 1000 1100

% de elongación 900 750

68

ANEXO 4: DIAGRAMA DE INTERACCIÓN POR DEPARTAMENTOS DE LA

EMPRESA PARA LA PRODUCCIÓN CANDELAS

Silicón (RTH) : silicón que no necesita de curarse se polimeriza a temperatura ambiente, posee corto tiempo de vida por

no tener un proceso térmico de estabilización de material, apto solo para muestras de laboratorio no producción.

69

ANEXO 5: DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO PRODUCCIÓN MOLDES

A. PROCESO GENERAL DE FABRICACIÓN DE MOLDES VULCANIZADOS

1. Aprobación del proyecto de mercadeo y estándares definidos por

Investigación y desarrollo

2. Diseño de la matriz requerida, verificar funcionamiento más eficiente, hacer

el pedido al proveedor.

3. Fabricación de la matriz por el proveedor, supervisión del desarrollo de la

matriz.

4. Pruebas pilotos en la máquina vulcanizadora para la fabricación de moldes

vulcanizados, en este paso se define proceso, tiempos de curado, cantidad de

moldes a producir, documentar procedimiento.

5. Fabricación de moldes vulcanizados para producción posterior de velas.

B. PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO POR EL PROVEEDOR

1. Reproducción por copiado del diseño de la matriz de madera que se desea

producir, para esto aplican una capa espesa de alginato alrededor de la matriz

de madera de donde sacan el negativo de la matriz.

2. Una vez realizado el molde de alginato, se procede a fundir la aleación de

aluminio de la que estará fabricada la matriz, luego se enfría a temperatura

ambiente y se desmolda.

3. Con una máquina fresadora se le dan los acabados a la matriz . Y se le

70

perfora el agujero en donde va el tornillo que ensamblará con la máquina

vulcanizadora (si fuese necesario).

4. Si es necesario se crea la cavidad para la máquina vulcanizadora dejando

1.27 cm (0.5 pulg ) de luz entre la matriz y la cavidad.

5. La matríz alumínica es entregada al comprador para que se efectúen las

pruebas respectivas.

DEPTO DE MOLDES EMPRESA MANUFACTURERA DE VELAS

71

C. PROCESO DE LA MATRIZ PROPUESTA DE EPÓXICO

1. Mezclar la proporción indicada de la resina epóxica 29% endurecedor y 71% de resina base a temperatura ambiente en un recipiente, agitar con una varilla de vidrio hasta lograr una mezcla homogénea.

2. Dejar reposar la resina durante 24 horas a 20 °C (68°F) o temperatura ambiente en el molde que se desea dar forma.

3. Secar en horno durante 12 horas a 45°C (113°F) y luego desmoldar la pieza.

4. Secar en el horno durante 1 hora a 60°C ( 140°F)

5. Secar en el horno durante 1 hora a 80°C (176°F)

6. Secar por 2 horas en el horno a 120 °C (248°F)

7. Secar durante 4 horas a 160 °C (320°F)

8. Bajar la temperatura a razón de 20/25 °C (68/77 °F) por hora

72

D. PROCESO DE VULCANIZADO DE MOLDES DE SILICÓN HTV

1. Pruebas piloto con la matriz de aluminio para verificar funcionamiento

adecuado de la matriz en la máquina vulcanizadora, desplazamiento de

material, ensamble exitoso.

2. Si el diseño es nuevo agregar en exceso silicón HTV en la matriz

ensamblada y variar los tiempos de exposición del material hasta lograr un

curado exitoso.

3. Estandarizar el proceso, masa, temperatura y tiempo de residencia del

molde en la máquina vulcanizadora.

6. Iniciar la producción planificada.

7. Entrega de moldes al departamento de producción de la empresa

DEPTO DE MOLDES EMPRESA MANUFACTURERA DE VELAS

73

ANEXO 6: PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO

A. HACER LA MATRIZ DE ALUMINIO A continuación se grafica un método para realizar matrices. Las fotografías fueron

tomadas en la fábrica de matrices de una empresa que se dedica al negocio. Se debe de

hacer un molde de silicón con la mayor definición del modelo (objeto original que se

quiere reproducir) posible, después de esto seguir el siguiente proceso:

1. Derretir el metal: Derretir el metal. Una vez derretido el metal dejar en el fuego el tiempo requerido antes de llenar el molde.

2. Preparar el Molde: El Molde debe de limpiarse cuidadosamente y después se le aplica desmoldante en la parte interna y luego se procede a precalentarlo.

3. Llenar el molde con el metal derretido: Con todas las normas de seguridad industrial se procede a llenar el molde preparado con el metal derretido.

4. Desmoldar: Cuando la matriz este totalmente fría (a temperatura ambiente) se procede a desmoldar.

74

5. Maquinar la matriz: Perforar un agujero para que se pueda adherir posteriormente la matriz a la máquina vulcanizadora.

NOTA: Por confidencialidad de la empresa no se exponen las temperaturas, tiempos y datos de proceso de fabricación de matrices de aluminio. FUENTE: Fotos tomadas dentro de una fábrica de matrices

75

ANEXO 7: ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR El molde para vulcanizar está compuesto por dos partes: La cavidad o hembra y la parte central o macho. El ensamble del molde para introducirlo a la vulcanizadora es uno de los procesos mas críticos de todos, ya que si no se ensambla correctamente existe el peligro de romper el molde. A continuación se describen los pasos para un ensamble exitoso. 1. Conocer el Molde: Inspeccionar cuidadosamente la matriz para poder aprender a ensamblarla, y posteriormente documentar en el archivo del molde la forma de ensamble del mismo.

2. Colocarle el Material para Vulcanizar Una vez se ensambla el molde se procede a colocarle el material adentro del casco. Se debe de colocar el 25% mas del peso del molde final. Si no se conoce el peso del molde final, se debe colocar en exceso, para que con el moldeo por compresión se logre evitar que se atrape aire dentro del molde final una vez se vulcanice.

3. Alinear el Molde: Una vez ensamblado con el material a vulcanizar se procede a alinear el molde, haciéndole presión en la parte superior para ver que las parte ensamblen correctamente y no se traslapen, una vez estén adentro de la vulcanizadora. Si el molde no se alinea bien la vulcanizadora lo romperá cuando inicie el proceso del vulcanizado.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

76

ANEXO 8: VULCANIZADORA

1. Encender/Apagar 6. Graduador de Presión 2. Barómetro 7. Botón para Abrir 3. Cronómetro programable 8. Nivel de Aceite Hidráulico 4. Termómetro 9. Micro Switch 5. Botones para cerrar FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

1

2

3

4

5

6

8

7

9

77

DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE LA VULCANIZADORA 1. Encender/ Apagar: Este “switch” es para encender o apagar la vulcanizadora, una vez se encienda se prenderán las luces arriba y abajo del mismo indicando que están calentando la placa correspondiente a cada luz. La vulcanizadora tarda aproximadamente 2 horas en calentar.

2. Barómetro y 3. Cronómetro programable: El Barómetro nos indica la presión a la que se esta sometiendo el molde. El Cronómetro programable se le puede asignar un tiempo de curado para que este abra automáticamente una vez alcance este tiempo. El Cronómetro se puede apagar para que la apertura de la vulcanizadora sea manual.

4. Termómetro: Indica la temperatura de la placa de la vulcanizadora, ésta temperatura no necesariamente es la temperatura adentro del molde.

5. Botón para cerrar: Al presionar los botones se empieza a cerrar la vulcanizadora. Ambos se tienen que empujar al mismo tiempo para que cierre.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

78

6. Graduador de Presión : Ésta llave regula la presión que se va a someter el molde, esta se puede ver en el Barómetro. La presión a la cual se debe de someter el molde es la que pueda cerrar por completo el molde sin tener ningún espacio entre una parte del molde y otra

7. Botón para Abrir: Se utiliza para abrir manualmente cuando no se haya programado la Vulcanizadora con el cronómetro.

8. Nivel de Aceite Hidráulico: Indica el nivel de aceite hidráulico que hay en la vulcanizadora. Cuando el aceite este bajo se debe de colocar más en la vulcanizadora en el recipiente que esta colocado en la parte de atrás de esta (ver la segunda figura).

9. Micro “switch” Es el activador para la presión alta de la vulcanizadora y debe de ser ajustado dependiendo de la altura del molde. Una vez se activa el Micro “switch” la vulcanizadora cierra automáticamente hasta la presión preestablecida, por lo que se debe de asegurar de que el molde esté bien ensamblado y alineado, y que esté en el centro de la placa de la vulcanizadora, ya que una vez se activa ya no se podrá adecuar nada más.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

Recipiente para colocar Aceite Hidráulico

79

ANEXO 9: VULCANIZAR Para poder vulcanizar se deben de tomar en cuenta tres factores:

1. La temperatura a la cual se va a exponer el molde (las placas de la vulcanizadora). 2. La presión a la cual se va a someter. 3. El tiempo de exposición.

Estos tres factores son variables dependiendo de cada molde, por lo que se tiene que evaluar la primera vez y registrar los parámetros en el archivo de cada molde. 1. Encender la Vulcanizadora Se debe de encender la vulcanizadora. Esta tarda aproximadamente 2 horas en calentar a la temperatura deseada.

2. Ajustar la Temperatura Ajustar la temperatura en los controles atrás de cada placa según la temperatura que se necesite. Las luces rojas de cada placa se activarán cuando se estén calentando.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

Ajustes de Temperatura independientes para

cada Placa de la Vulcanizadora

Luces que indican el calentamiento

independiente de cada placa de la

Vulcanizadora

80

3. Alinear el Molde. Una vez ensamblado con el material a vulcanizar se debe de alinear el molde haciéndole presión en la parte superior para ver que las parte ensamblen correctamente y no se traslapen una vez estén adentro de la vulcanizadora. Si el molde no se alinea bien la vulcanizadora lo romperá una vez iniciado el proceso del vulcanizado.

4. Colocar el molde en la Vulcanizadora: Colocar el molde en el centro de las placas de la vulcanizadora. Si el molde no se coloca en el centro de las placas de la vulcanizadora se romperá el pistón de la misma.

5. Ajustar el Micro “switch”: Para poder ajustar el micro “switch” se debe de medir la altura del molde y basándose en esta medida, se ajusta para que active la vulcanizadora medio centímetro por encima del molde cuando se programe el cierre automático.

6. Ajustar el Cronómetro: Si se sabe el tiempo de curado del molde se ajusta el cronómetro a dicha valor. Si no se sabe el tiempo de curación se debe de apagar el cronómetro y cuantificar este tiempo para establecerlo en las siguientes vulcanizadas del nuevo molde.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

81

7. Cerrar las placas : Una vez se hayan ajustado los parámetros de tiempo y temperatura se procede a cerrar las placas de la vulcanizadora presionando los dos botones de cerrado simultáneamente. Se debe de cerrar poco a poco asegurándose que el molde esté alineado y centrado en las placas.

8. Ajustar la Presión : Una vez se active el Micro “switch” la vulcanizadora empezará a cerrar automáticamente llegando a la última presión con que se estuvo trabajando. Si no se conoce la presión para dicho molde se tiene que regular hasta que se cierre por completo el mismo; si se conoce el dato, se debe de ajustar por medio de la llave de regulación de presión.

9. Apertura de las placas Si el cronómetro está encendido las placas se abrirán automáticamente una vez concluya el tiempo preestablecido. Si el cronómetro se encuentra apagado o, se tendrá que abrir manualmente presionando el botón de apertura.

10. Desmolde Una vez se abran las placas de la vulcanizadora se retira el molde y desmoldarlo. Tener mucho cuidado ya que el molde estará a alta temperatura.

FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.

La presión se debe de ajustar para que el molde se cierre por completo.

82

ANEXO 10: ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA

DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA

Donde:

QC= Calor transferido por conducción

QR= Calor transferido por radiación

83

ANEXO 11: MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN

LAS PLANCHAS MÁQUINA VULCANIZADORA

Esta prueba se realizó para medir la exactitud de la temperatura que presenta el panel de la

máquina vulcanizadora con respecto a los valores reales en la plancha.

DATOS PLANCHA INFERIOR

Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : Julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

Diagrama de las planchas de la máquina vulcanizadora para la ubicación de los datos en la tabla.

Medición de la temperatura real en la plancha inferior de la máquina vulcanizadora con 2 horas de

calentamiento previo. La temperatura del “sett” corresponde al dato mostrado en el panel de la

máquina.

% error = ((Dato teórico – dato experimental)/ Dato teórico)*100 =((T sett- T prom)/Tsett)*100

A D G

B E H

C F I

Punto de medición

medición 1 cronómetro

00:00:00

medición 2 cronómetro

00:15:00

medición 3 cronómetro

00:30:00

T (°C) sett 197.49 203.64 216.00A 201.35 204.18 210.98B 213.04 221.40 235.85 Punto más calienteC 191.51 207.87 218.55D 195.57 201.72 213.28E 206.64 217.71 229.45F 202.95 204.18 209.75G 172.20 177.12 184.29 Punto más fríoH 194.34 205.41 212.90I 178.35 188.19 201.00Promedio 195.11 203.09 212.89 PromedioDesviación std 13.11 13.59 15.03Valor máximo 213.04 221.40 235.85Valor mínimo 172.20 177.12 184.29% de error 1.21 0.27 1.44

Tem

pera

tura

de

la p

lanc

ha in

ferio

r (

°C)

Mediciones en la plancha inferior

84

DATOS PLANCHA SUPERIOR

Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

Diagrama de las planchas de la máquina vulcanizadora para la ubicación de los datos en la tabla de

la plancha superior.

Medición de la temperatura real en la plancha superior de la máquina vulcanizadora con 2 horas de

calentamiento previo.

% error = ((Dato teórico – dato experimental)/ Dato teórico)*100 =((T sett- T prom)/Tsett)*100

J M P

K N Q

L O R

Punto de medición

medición 1 cronómetro

00:00:00

medición 2 cronómetro

0:15:00

medición 3 cronómetro

0:30:00

T (°C) sett 197.49 203.64 216.00J 190.13 193.25 208.45 Punto más calienteK 178.54 182.71 187.68L 145.22 148.10 152.04 Punto más fríoM 187.55 191.25 196.81N 151.22 161.25 167.28O 150.52 159.47 163.21P 189.22 192.58 195.22Q 160.01 207.28 214.46R 164.33 167.45 171.95promedio 171.42 178.15 184.12Desviación std 18.08 19.78 21.53Valor máximo 190.13 207.28 214.46Valor mínimo 145.22 148.10 152.04% de error 13.20 12.52 14.76

Tem

pera

tura

de

la p

lanc

ha s

uper

ior

(°C

)

Mediciones en la plancha superior

85

ANEXO 12: DIAGRAMA DE DIMENSIONES DE LAS

MATRICES Y DE PUNTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Diagrama de la matriz de epóxico fabricada para las pruebas.

86

ANEXO 13: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN

DE LA MATRIZ DE ALUMINIO

Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

La matriz se introdujo en la máquina después de 2 horas de calentamiento de la máquina

vulcanizadora.

La temperatura óptima para vulcanizar los moldes de silicón es de 195°C (383°F) pero las pérdidas

al ambiente de calor se toman 50°C (122°F) de margen de pérdidas al exterior. Aquí los moldes

son exitosamente curados.

Tiempo cronómetroSett °CPuntos

ABCDEPromedio

Aluminio

199.15198.56209.87201.67

201.85194.428

201.12

212.32204.204

Aluminio190.21190.1

188.31181.55191.22180.06

Aluminio183.66182.98180.33193.89197.12187.596

Aluminio177.41175.89174.21

216.00 228.14 232.54 234.5800:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00

Tiempo cronómetroSett °CPuntos

ABCDEPromedio

260.30Aluminio

247.40238.93

228.97234.18230.95

244.74249.63248.20

Aluminio242.15229.28220.15212.34

236.13237.79

Aluminio

221.15225.91217.58 225.344

222.21218.25

Aluminio215.15214.12211.57

239.44 243.12 249.12 253.1701:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00

87

CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO

SISTEMA INGLÉS (°F)

Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

La matriz se introdujo en la máquina después de 2 horas de calentamiento de la máquina

vulcanizadora.

La temperatura óptima para vulcanizar los moldes de silicón es de 195°C (383°F) pero las pérdidas

al ambiente de calor se toman 50°C (122°F) de margen de pérdidas al exterior. Aquí los moldes

son exitosamente curados.

Tiempo cronómetroSett °FPuntos

ABCDEPromedio 356.10 369.67 381.97 399.57

376.20 386.82 395.33 414.18358.79 381.00 395.01 409.77345.58 356.59 370.96 389.41348.60 361.36 374.18 390.47351.34 362.59 374.38 394.02

Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio420.80 442.65 450.57 454.24

00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00

Tiempo cronómetroSett °FPuntos

ABCDEPromedio 423.64 437.62 448.78 478.76

438.64 431.98 473.27 500.54430.07 424.85 444.15 472.53412.83 414.21 428.27 462.07417.42 457.03 444.70 477.32419.27 460.02 453.52 481.33

Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio462.99 469.62 480.42 487.71

01:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00

88

ANEXO 14: GRÁFICA DE LOS DATOS DE TEMPERATURAS

DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO

Gráfica de Temperatura vrs tiempo en mediciones en la Matriz de Aluminio

160

180

200

220

240

260

280

0 20 40 60 80 100 120 140

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

)

A

B

C

D

E

NOTA:

El comportamiento de la gráfica en sistema inglés (°F) es el mismo.

89

ANEXO 15: DATOS TÉCNICOS DEL EPÓXICO

90

DATOS TÉCNICOS DEL PROCESO DE CURADO DEL EPÓXICO Y ALMACENAMIENTO:

91

ANEXO 16: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE

EPÓXICO

Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

OBSERVACIÓN:

En el punto E, después de 3 hrs de calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora, se

presentó una deformación en la matriz; el plástico se comenzó a incendiar (llegó a su punto de

ignición). En celeste se presenta el punto más frío en la matriz de epóxico.

Tiempo cronómetroSett °CPuntos

ABCDEPromedio

Epóxico

45.16

63.6142.2538.0836.7957.0847.5643.20

Epóxico57.2539.6837.01

56.1235.7433.98

52.1140.93

Epóxico55.4137.5435.0434.9853.01

Epóxico52.0133.2533.31

216.00 228.14 232.54 234.5800:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00

Tiempo cronómetroSett °CPuntos

ABCDEPromedio

43.5866.5758.30

Epóxico81.5460.1451.1246.2570.1561.84

Epóxico76.2555.2149.87

33.0455.8746.45

Epóxico72.7151.4145.5641.8563.1254.93

Epóxico62.9842.7737.58

239.44 243.12 249.12 253.1701:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00

Tiempo cronómetroSett °CPuntos

ABCDEPromedio

60.8195.4777.44

Epóxico89.4778.2562.1563.15115.5881.72

Epóxico98.7774.1558.01

51.2575.1566.29

Epóxico93.1570.2956.0156.8781.4471.55

Epóxico86.1264.8754.08

261.12 265.87 270.14 274.1502:15:00 02:30:00 02:45:00 03:00:00

92

CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO

(SISTEMA INGLÉS)

Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo

Fecha : julio/2003

Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas

OBSERVACIÓN:

En el punto E después de 3 hrs de calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora se

presentó una deformación en la matriz, el plástico se comenzó a incendiar (llegó a su punto de

ignición). En celeste se presenta el punto más frío en la matriz de epóxico.

Tiempo cronómetroSett °FPuntos

ABCDEPromedio 105.68 109.75 113.29 117.61

125.80 127.42 133.02 134.7493.16 94.96 96.33 98.2291.96 95.07 98.62 100.5491.85 99.57 103.42 108.05125.62 131.74 135.05 146.50

Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico420.80 442.65 450.57 454.24

00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00

Tiempo cronómetroSett °FPuntos

ABCDEPromedio 115.61 130.87 136.93 143.31

132.57 145.62 151.83 158.2791.47 107.33 110.44 115.2599.64 114.01 121.77 124.02108.99 124.54 131.38 140.25145.36 162.88 169.25 178.77

Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico462.99 469.62 480.42 487.71

01:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00

Tiempo cronómetroSett °FPuntos

ABCDEPromedio 151.33 160.79 171.40 179.10

167.27 178.59 203.85 240.04124.25 134.37 141.46 145.67129.34 132.82 136.42 143.87148.77 158.52 165.47 172.85187.02 199.67 209.79 193.05

Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico502.02 510.57 518.25 525.47

02:15:00 02:30:00 02:45:00 03:00:00

93

ANEXO 17: GRÁFICA DE TEMPERATURAS DE

MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPOXICO

Gráfica de Temperatura vrs tiempo en mediciones de la matriz de Epóxico

15

35

55

75

95

115

0 50 100 150 200

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

) A

B

C

D

E

NOTA:

El comportamiento de la gráfica en sistema inglés (°F) es el mismo.

94

ANEXO 18: MEDICIONES DE PUNTO DE

FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR

El silicón es utilizado para moldes de candelas aromáticas debido a su alta inercia, estabilidad y

porque es capaz de soportar temperaturas de llenado altas sin sufrir deformaciones; es por ello

que se vulcanizan dichos moldes.

El punto de fusión es una propiedad intensiva, es decir, no depende de la masa; es por ello se

realizaron las mediciones con muestras significativas para ejemplificar las altas temperaturas de

llenado en una fábrica de velas.

Prueba realizada por : Helen Franco

Lugar: Laboratorio de Orgánica, Universidad Rafael Landívar

Fecha: 2 de marzo de 2004

Material

Tara papel

Peso Neto

Peso Bruto

Punto de fusión

Temperatura a la

cual se fundió

toda la masa de

la muestra

(g) (onz) (g) (onz) (g) (onz) (°C) (°F) (°C) (°F)

PARAFINA valor 1 0.62 0.021 2.00 0.07 2.62 0.091 62 144 110 230

PARAFINA valor 2 0.69 0.024 2.00 0.07 2.69 0.094 60 140 106 223

PARAFINA promedio 0.66 0.023 2.00 0.07 2.66 0.093 61 142 108 226

RESINA CLEAR valor 1 0.63 0.022 2.00 0.07 2.63 0.092 90 194 120 248

RESINA CLEAR valor 2 0.62 0.022 2.00 0.07 2.62 0.092 90 194 118 244

RESINA CLEAR promedio 0.62 0.022 2.00 0.07 2.62 0.092 90 194 119 246

La prueba se realizó en tubos de ensayo, dentro de un beaker calentado con un mechero de

bunsen, el beaker contenía vaselina líquida y un termómetro adherido al tubo de ensayo.

95

ANEXO 19: RESULTADO PRUEBA DE LA LLAMA PARA EL SILICÓN HTV

Prueba realizada por : Helen Franco

Lugar: Laboratorio de Orgánica Universidad Rafael Landívar

Fecha: 2/marzo/04

Esta prueba consiste en una forma cualitativa para identificar un tipo de polímero, se realizó con el

silicón HTV, ya que por ser un termofijo no funde, solamente se destruye. Es por eso la importancia

de tener el control de temperatura de vulcanizado correcto: explica el comportamiento de este tipo

de plásticos a altas temperaturas no se funden se destruyen al llegar a su punto de ignición.

Dentro de la llama del mechero de Bunsen:

Inflamabilidad: El silicón HTV es altamente inflamable. Cuando se tuvo dentro de la llama

comenzó a arder solo y al sacarlo seguía ardiendo hasta formar una ceniza blanca destruyéndose

completamente el polímero.

Aspecto de la llama : La llama era amarilla-anaranjada brillante.

Olor de los vapores: Los vapores presentaron olor a hule quemado, no tenía ningún olor

diferente a un hule calcinado.

Fuera de la llama del mechero de Bunsen:

Presentó las mismas características que dentro de la llama

Según la tabla que identifica un plástico con las anteriores características mencionadas, el plástico

es: por tener una inflamabilidad que arde en la llama, no se autoextingue; con un

aspecto de la llama brillante amarilla, y un olor de goma o hule quemado, entonces el

plástico contiene POLICLOROPRENO ó ESTRATIFICADOS DE RESINAS FENÓLICAS.

96

ANEXO 20: ANÁLISIS DE COSTOS DE FABRICACIÓN DE MATRICES

Costos de Matriz ALUMINIO Costo de matriz metálica 1 Kg (2.20 lb) $ 600.00 VENTAJAS Durabilidad de la matriz Transferencia de calor mejor que la del EPÓXICO DESVENTAJAS Costo alto La resolución es menor que la del EPÓXICO Presenta deformaciones El tiempo de elaboración es de 15 dias

Costo de Matriz de EPÓXICO

Materiales Costo de Kilo de EPÓXICO 1 Kg (2.20 lb) $ 12.75

Molde para verter EPÓXICO $ 15.50

Gas

tos

de E

nerg

ía E

léct

rica

Costo/hora de energía eléctrica $ 2.00

1er. Curado (24 Hrs) @ 20°C (68 °F) $ 48.00

2do. Curado (12 Hrs) @ 45°C (113 °F) $ 24.00

3er. Curado (1 Hr) @ 60°C (140 °F) $ 2.00

4to. Curado (1 Hr) @ 80°C (176 °F) $ 2.00

5to. Curado (2 Hrs) @ 120°C (248 °F) $ 4.00

6to. Curado (4 Hrs) @ 160°C (320 °F) $ 8.00 Enfriamiento a razón de 20/25°C (68/77 °F) por hora $ -

MOD Costo de mano de obra por Hora (1 persona) $ 1.56

TOTAL $ 119.81 VENTAJAS Costo bajo Se tiene bajo control de la empresa el proceso de fabricación La resolución es mejor que la de la matriz fundida El tiempo de elaboración es de 8 días DESVENTAJAS Baja transferencia de calor por ser un polímero En su elaboración requiere de un control estricto

97

ANEXO 21: GLOSARIO

Definiciones tomadas de Valiente (1990):

Calor de fusión: Cantidad de energía calorífica necesaria para convertir una cantidad dada de

sólido a líquido.

Capacidad calorífica: Número de calorías necesaria para elevar un grado la temperatura un

gramo de un cuerpo.

Conmonómeros: Monómeros que se enlazan previamente a la formación de un polímero.

Copolímero: Sustancia producida por la polimerización de dos o más monómeros distintos.

Divinílico: Molécula que contiene dos moléculas de vinilo.

Enlace covalente: Enlace formado por dos electrones que son compartidos entre dos átomos.

Fibra: Cada uno de los filamentos de naturaleza vegetal, animal o sintética que interviene en la

preparación de productos como textiles, plásticos, etc.

Fibra Kevlar TM: Fibra sintetizada químicamente muy rígida.

Gelación: Proceso por el cual un semisólido comienza a formar una sustancia altamente viscosa o

gel.

Hidrólisis: Proceso por el cual las sales o sustancias reaccionan con el agua.

Histéresis: En algunas sustancias al ir cambiando la velocidad de corte respecto al tiempo

presentan un retraso de la propiedad de ruptura.

Nylon: Fibra sintética en la cual la sustancia constitutiva es un polímero de cadena larga, capaz de

formar filamentos.

Plásticos: Resinas sintéticas que pueden ser moldeadas en formas estables mediante calor y

presión. Se sintetizan por el proceso de polimerización.

98

Polimerización: Proceso consistente en agrupar muchas moléculas idénticas o monómeros

obteniendo otra sustancias con propiedades fisicoquímicas diferentes.

Resistencia a tracción: Propiedad de un material antes de presentar ruptura por tensión.

Reticular: Hacer que algo tenga forma o estructura de red.

Temperatura de fusión: Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado sólido a líquido.

Temperatura de estabilidad térmica: Temperatura a la cual una sustancia no presenta cambios

físicos.

Temperatura de ignición: Temperatura necesarias para que se efectúe la verdadera combustión

de un combustible. En el punto de ignición la sustancia comienza a arder al contacto de una

superficie caliente.

Temperatura de transición vítrea: Es aquella temperatura donde muchas sustancias pueden

cambiar de forma estructural, sobre todo en plásticos que fortalecen sus enlaces.

Termofijo: Conocido también como termoestables y es un polímero que al estar expuesto a altas

temperaturas y presiones no presenta deformaciones sino estabiliza su estructura molecular, y se

destruye antes de fundir.

Termoplástico: Polímero que puede cambiar de formas varias veces al elevarse su temperatura,

se funde al llegar a su punto de fusión y es reutilizable.

Vitrificación: Convertir una sustancia en vídrio y/o apariencia vidriosa.