producciÓn de espuma flexible de poliuretano con …

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PRODUCCIÓN DE ESPUMA FLEXIBLE DE POLIURETANO CON CELDA

GRANDE Y ABIERTA

MÓNICA LILIANA SARMIENTO ROMERO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C.

2007

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GRANDE Y ABIERTA

MÓNICA LILIANA SARMIENTO ROMERO

Proyecto de Grado para Optar al Título de Ingeniera Química

Asesor Oscar Alberto Álvarez Solano

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C.

2007

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A Dios, por todo lo que soy, por todo lo que tengo,

por darme cada día fuerzas y ganas de vivir.

A mis papás, quienes con su inmenso amor me han

guiado y me han apoyado para alcanzar mis metas.

A mis hermanas, compañeras en mi camino, cómplices

en mi diario vivir.

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4

Gracias a ustedes; cada uno ha aportado algo en el proceso que me ha llevado hasta

este punto de mi vida:

- A toda mi familia, gracias por estar siempre conmigo, por apoyarme, por

guiarme, por creer en mi.

- A Juan, David, Gus, Fabito, Joha, Lauris... gracias por acompañarme, por su

amistad, por todos los momentos que hemos vivido...definit ivamente no hay

mejores amigos que ustedes, los adoro!

- A Carlos... estés o no estés, esto también es para ti, por impulsarme y apoyarme

siempre para ser la mejor, por haberme aguantado tanto estudio y por haber

estado junto a mi dándome fuerzas cuando más lo necesitaba.

- A Josué Ramírez, el Mono, por aportarme su experiencia y conocimientos para

desarrollar este proyecto, y por su paciencia para ayudarme en la realización del mismo.

- A Óscar Álvarez, por su asesoría en la realización de este proyecto.

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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN........ .................. .................. .................. .................. ................. ............ 10

1. INTRODUCCIÓN............ .................. .................. .................. .................. ........... 12

2. FUNDAMENTO TEÓRICO........ .................. .................. .................. .................. 14

2.1 Espumas de Poliuretano.................. ................. .................. .................. ...... 14

2.1.1 Aditivos................. ................. .................. .................. .................. ........ 16

2.1.1.1 Poliol.. ................. .................. .................. .................. .................. . 16

2.1.1.2 Isocianato............... .................. .................. ................. ................. 17

2.1.1.3 Agentes de expansión.................... .................. .................. ......... 18

2.1.1.4 Catalizadores............................... .................. ................. ............. 19

2.1.1.5 Surfactantes........................................ .................. ................. ...... 20

2.1.1.6 Otros.................... ................. .................. .................. .................. . 20

2.2 Espuma Flexible de Poliuretano......... .................. .................. .................. .. 21

2.2.1 Componentes de la Formulación........ .................. .................. ............ 21

2.2.1.1 Poliol.. ................. .................. .................. .................. .................. . 21

2.2.1.2 Isocianato............... .................. .................. ................. ................. 21

2.2.1.3 Agente de expansión........... .................. .................. .................. .. 22

2.2.1.4 Catalizador........................ .................. .................. ................. ...... 22

2.2.1.5 Surfactante............................... .................. ................. ................. 23

2.2.1.6 Agente Antiespumante............ .................. .................. ................ 23

2.2.2 Técnicas de Producción................... ................. .................. ............... 24

2.2.2.1 Sistema de Una Etapa................ .................. .................. ............. 24

2.2.2.2 Sistema de Dos Componentes.............. .................. .................. .. 24

2.2.2.3 Sistema de Cuasi-Prepolímero.... ................. .................. ............. 24

2.3 Espuma Flexible de Poliuretano de Celda Grande y Abierta..................... 25

2.3.1 Formación de la Espuma..................... .................. ................. ............. 25

2.3.1.1 Nucleación.......... .................. .................. .................. ................. .. 25

2.3.1.2 Estabilidad..................... .................. .................. ................. ......... 26

2.3.2 Viscoelasticidad.......... .................. .................. .................. ................. .. 27

3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL................. ................ 28

3.1 Materiales.................... ................. .................. .................. .................. ........ 28

3.2 Métodos............ ................. .................. .................. .................. .................. . 30

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3.3 Procedimiento Experimental..... .................. .................. ................. ............. 33

3.3.1 Variables de Respuesta............ ................. .................. .................. ...... 33

3.3.1.1 Permeabilidad............ .................. .................. ................. ............. 33

3.3.1.2 Tamaño de Celda.......... .................. ................. .................. ......... 34

3.3.2 Pre-Experimentación............. .................. .................. ................. ......... 35

3.3.3 Primera Experimentación................. .................. .................. ................ 35

3.3.4 Segunda Experimentación....... .................. .................. .................. ...... 37

3.3.5 Tercera Experimentación.......... .................. .................. ................. ...... 38

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS............. .................. ................ 40

4.1 Pre-Experimentación.................... .................. .................. .................. ........ 40

4.2 Primera Experimentación...... .................. .................. .................. ................ 42

4.2.1 Análisis Estadístico............ .................. .................. .................. ............ 48

4.3 Segunda Experimentación.............. .................. .................. .................. ...... 51


4.4 Tercera Experimentación................. .................. .................. ................. ...... 55


5. CONCLUSIONES...................... .................. ................. .................. .................. . 62

6. BIBLIOGRAFIA............... .................. ................. .................. .................. ............ 64

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Agentes Físicos de Expansión más Comunes............. .................. ....... 18

Tabla 2. Catalizadores Amínicos más Comunes.................... .................. .......... 20

Tabla 3. Reactivos Empleados en la Obtención de Espumas Flexibles de

Poliuretano.................. .................. .................. .................. .................. ..

28

Tabla 4. Surfactantes para la Producción de Espuma Flexible de Poliuretano.. 29

Tabla 5. Formulación Utilizada en la Pre-Experimentación.... .................. .......... 35

Tabla 6. Formulación Utilizada en la Primera Experimentación........ .................. 36

Tabla 7. Diseño de Exper imentos para la Pr imera Experimentación........... ....... 37 Tabla 8. Formulación Utilizada en la Segunda Experimentación................ ........ 38

Tabla 9. Diseño de Exper imentos para la Segunda Experimentación................ 38

Tabla 10. Formulación Utilizada en la Tercera Experimentación................. ....... 39

Tabla 11. Diseño de Experimentos para la Tercera Experimentación................ 39

Tabla 12. Tiempos de Crema y Crecimiento para las Espumas de la

Pre-Experimentación.............. .................. .................. .................. ...... 40

Tabla 13. Resultados Cualitativos de la Pre-Experimentación................. .......... 41

Tabla 14. Resultados de Permeabilidad para la Pr imera Experimentación........ 44

Tabla 15. Resultados de Tamaño de Celda para la Pr imera Experimentación.. 47

Tabla 16. Resultados de Permeabilidad del Análisis de Varianza ANOVA para

la Primera Experimentación........ .................. .................. .................. .. 49

Tabla 17. Resultados de Tamaño de Celda del Análisis de Varianza ANOVA

para la Primera Experimentación....... .................. .................. ............. 49

Tabla 18. Resultados de Permeabilidad para la Segunda Experimentación...... 52

Tabla 19. Resultados de Tamaño de Celda para la Segunda Experimentación. 53


la Segunda Experimentación................ .................. .................. .......... 55


para la Segunda Experimentación............... .................. .................. ... 55

Tabla 22. Resultados de Permeabilidad para la Tercera Experimentación.... .... 56

Tabla 23. Resultados de Tamaño de Celda para la Tercera Experimentación... 58


la Tercera Experimentación................... .................. .................. ......... 59


para la Tercera Experimentación.................. .................. ................. ... 60

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Reacción de Polimerización..... .................. ................. .................. ....... 14

Figura 2. Reacción de Soplado........ ................. .................. .................. .............. 15

Figura 3. Isómeros de TDI............. ................. .................. .................. ................. 17

Figura 4. Agitador.................. .................. .................. .................. .................. ...... 31

Figura 5. Sistema de Producción de Espuma Flexible de Poliuretano en Tres

Etapas......................... ................. .................. .................. .................. .. 32

Figura 6. Porosímetro de Mercurio................. .................. .................. ................. 34

Figura 7. Microscopio Óptico........ .................. .................. .................. ................. 34

Figura 8. Pr imera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante.. 44

Figura 9. Pr imera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante

BF-2370........................ ................. .................. .................. ................. 45

Figura 10. Primera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante

L-620....... .................. ................. .................. .................. .................. .. 46


L-5770..... ................................... .................. .................. .................. .. 46

Figura 12. Primera Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs.

Surfactante........................ .................. .................. .................. ............. 48

Figura 13. Respuesta de la Permeabilidad para la Interacción del Tipo y la

Cantidad de Surfactante en la Formulación de las Espumas de la

Primera Experimentación.................. .................. .................. ............. 50

Figura 14. Respuesta del Tamaño de Celda para la Interacción del Tipo y la

Cantidad de Surfactante en la Formulación de las Espumas de la

Primera Experimentación.................. .................. .................. ............. 51

Figura 15. Segunda Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs.

Surfactante...................... .................. .................. .................. ............. 52

Figura 16. Segunda Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs.

Surfactante...................... .................. .................. .................. ............. 54

Figura 17. Tercera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs.

Antiespumante.................... .................. .................. .................. ......... 57

Figura 18. Tercera Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs.

Antiespumante.................... .................. .................. .................. ......... 58

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Figura 19. Respuesta de la Permeabilidad para la Interacción de la Cantidad

de Surfactante y la Cantidad de Antiespumante en la Formulación

de las Espumas de la Tercera Experimentación....... .................. ....... 61

Figura 20. Respuesta del Tamaño de Celda para la Interacción de la Cantidad

de Surfactante y la Cantidad de Antiespumante en la Formulación

de las Espumas de la Tercera Experimentación....... .................. ....... 61

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GRANDE Y ABIERTA

Resumen

Este proyecto tiene como objetivo encontrar las condiciones de formulación de una

espuma flexible de poliuretano para obtener celdas grandes y abiertas, con el f in de

utilizarla en la fabricación de materiales cerámicos porosos con las propiedades

mecánicas requeridas. Para llevar a cabo la experimentación, se tuvieron en cuenta los

resultados obtenidos y las recomendaciones dadas en un proyecto anterior,

Mejoramiento de la Calidad de Espumas de Poliuretano como Soporte para la

Obtención de Estructuras Celulares Cerámicas, realizado por Diana Alexandra Márquez

en 2007.

Los experimentos se llevaron a cabo en cuatro etapas, en las que se fueron evaluando

los resultados con el f in de plantear la siguiente etapa. La formulación utilizada en todo

el proyecto corresponde a la obtención de espumas de densidad 15 kg/m3. En la pre-

experimentación se hizo una réplica de los resultados obtenidos por Diana Márquez en

su proyecto, estudiando la variación de la cantidad de agente antiespumante (INDOL

NDW) entre 0.84 y 0.88% de la formulación de la espuma, y utilizando como surfactante

NIAX L-540.

En la primera etapa de experimentación se determinó variar el t ipo de surfactante y la

cantidad de éste en la formulación, para lo cual se tomaron tres surfactantes diferentes

utilizados en la producción de espuma flexible de poliuretano (BF-2370, L-620 y L-5770) y se varió cada uno en tres niveles (1.9g, 2.1g, 2.6g). Luego se introdujo una muestra

de cada una de las espumas obtenidas en una solución 5M de NaOH durante 24 horas,

y se evaluó la influencia del tipo de surfactante por medio de pruebas de permeabilidad

y determinación del tamaño de celda para las muestras con y sin NaOH.

Para la segunda etapa de experimentación se eligió el surfactante L-5770, que dio

mejor permeabilidad y celdas más grandes. Se varió entonces la cantidad de éste en la

formulación, entre 0.5 y 2g, se determinó el tamaño de celda y se realizaron pruebas de

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permeabilidad, con el f in de evaluar la inf luencia de la cantidad de surfactante en la

obtención de una espuma con celdas grandes y abiertas.

En la tercera etapa de experimentación se varió la cantidad de surfactante L-5770 en

dos niveles (1.9g y 2.1g), y se introdujo el agente antiespumante INDOL NDW, variando

su cantidad en tres niveles (2.25, 2.37, 2.5g). La determinación de la permeabilidad y

del tamaño de celda de las espumas obtenidas permitió evaluar la inf luencia del agente

antiespumante en la formación de las espumas.

Luego de completada la fase experimental, se realizó el análisis de los resultados

obtenidos, buscando evaluar si las variables estudiadas t ienen un efecto signif icativo en

la producción de la espuma flexible de poliuretano con las características deseadas

para su utilización en la producción de materiales cerámicos porosos.

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1. INTRODUCCIÓN

Las múlt iples aplicaciones que tienen los materiales cerámicos porosos actualmente en

diversos campos de la industria debido a sus propiedades mecánicas, han llevado a

diversos estudios acerca de su producción y uso. Algunos de estos estudios consideran

la opción de fabricarlos sobre matrices de espumas poliméricas, pues éstas tienen

ciertas propiedades como alta porosidad, baja densidad, alta estabilidad química,

uniformidad estructural y gran área superficial, permitiendo que sean empleadas como

filtros, soportes para catalizadores, membranas y aislamientos térmicos (Scheff ler &

Colombo, 2005). La producción de materiales cerámicos porosos por medio de la

técnica de réplica usando una matriz de poliuretano permite un excelente control del

tamaño de celda, obteniendo cerámicos con celdas del tamaño requerido según su

aplicación; así mismo, se obtienen cerámicas con buenas propiedades mecánicas

(“Processing of Porous...”, s.f.).

Las propiedades mecánicas de los sólidos celulares dependen directamente de las

propiedades de la matriz sobre la cual se producen. Se ha identif icado que una de las

variables críticas es la morfología de la espuma, puesto que es necesario que la

suspensión cerámica sea absorbida y retenida por la espuma con facilidad, y esta

condición la determina el tamaño y la distribución de las celdas de la espuma. En un

proyecto anterior (Márquez, 2007) se estudió la variación del agente antiespumante

para la obtención de una espuma flexible de celda grande y abierta. Se encontró que el

mejor antiespumante para obtener celdas de gran tamaño es el aceite de silicona, as í

que se varió la cantidad de éste en la formulación, obteniendo mejores resultados con

cantidades de antiespumante entre los 9 y 9.5 g, correspondientes al 0.84 y 0.88% de la mezcla, respectivamente. En un principio se planteó variar el tiempo de agitación, pero

f inalmente se f ijó este parámetro en 85 segundos. Según los resultados obtenidos, se

recomendó tomar muestras de la espuma de 50x50x25 mm e introducirlas en soda

cáustica, con el f in de aumentar el tamaño de celda y la permeabilidad.

Este proyecto busca entonces encontrar las condiciones de formulación de una espuma

flexible de poliuretano para obtener celdas abiertas y de un tamaño determinado, con el

f in de emplearla en la fabricación de un material cerámico poroso con las propiedades

mecánicas requeridas. Para esto, se evalúan primero los resultados obtenidos en el

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13

proyecto anterior, considerando las recomendaciones dadas. De acuerdo con los

resultados, se decide evaluar la inf luencia del tipo y la cantidad de surfactante en las

características de la espuma de poliuretano, y se evalúa también la influencia de la

adición de un agente antiespumante a la formulación. Dichos efectos se determinan a

través de la permeabilidad y el tamaño de celda.

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2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Espumas de Poliuretano La espuma de poliuretano es un material celular compuesto de un polímero de

poliuretano que contiene en celdas cerradas una mezcla de gases y que contiene el

enlace uretano (NH-CO-O-).

Los poliuretanos son espumas que pueden variar desde las súper suaves y f lexibles

hasta las duras y rígidas, y pueden producirse en bloques o moldearse de distintas

formas y tamaños (“Manual de Espuma...”, s.f., p.7)

El poliuretano es un polímero complejo que resulta de dos reacciones principales:

- Reacción de gelif icación: se da la reacción entre el poli-isocianato y el poliol, produciendo poliuretano y calor, como se observa en la Figura 1. El poliuretano tiende a

gelif icarse.

O

R’-N=C=O + HO-R R’-N-C-O-R + ~ 24 kcal/mol

H

Isocianato Poliol Uretano Calor

Figura 1. Reacción de polimerización1

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- Reacción de soplado: la reacción del isocianato con agua es esencial para la

formación de la espuma de poliuretano. El primer producto de la reacción es el

ácido carbámico, que por ser inestable produce la amina correspondiente y

dióxido de carbono. La amina reacciona inmediatamente con el isocianato que

aún se encuentra presente en la mezcla reaccionante, formando úrea. La

reacción se muestra en la Figura 2.

O

R-N=C=O + H2O R- N-C-O-H R-NH2 + CO2

H

Isocianato Agua Ácido carbámico Amina Dióxido

de Carbono

O

R-NH2 + R-N=C=O R- N-C-N-R

H H

Amina Isocianato Urea

Figura 2. Reacción de soplado.

El dióxido de carbono producido actúa como agente soplante interno (Solano, 2003)

durante la formación de la poliúrea, que lleva a la formación del esqueleto

macromolecular de la espuma (Oertel, 1994, p.13). La introducción de un agente

soplante externo o interno, que se difunde en burbujas previamente nucleadas en el

medio reactante, causa la expansión del polímero para formar la espuma.

El espumado puede lograrse mediante el uso de dos posibles agentes de expansión

externos (“Manual de Espuma...”, s.f., p.9):

1 [5]. Pág. 11

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16

- Agente físico: solvente de bajo punto de ebullición que se evapora con el calor

de la reacción.

- Agente químico: sufre reacciones químicas con el isocianato para liberar un

producto gaseoso, como se muestra en la f igura 2 para la reacción entre el

isocianato y agua.

2.1.1 Aditivos

Si bien la reacción entre el poliol y el isocianato es la que produce el poliuretano, es

necesaria la adición de ciertos aditivos para lograr un mejor procesamiento y obtener un

producto f inal con propiedades espec íf icas; dichos aditivos se mezclan con el poliol y

constituyen la formulación.

Los componentes de una formulación son:

2.1.1.1 Poliol

Un poliol es un compuesto polihidroxidado, producto de la reacción de un iniciador y

óxido de propileno o etileno (poliol poliéster y poliol poliéter, respectivamente). Tiene dos propiedades básicas que influyen de manera determinante en el producto f inal (Oertel, 1994):

• Peso molecular

• Funcionalidad: es el número de sit ios reactivos por molécula, característica

heredada del iniciador, que son compuestos que t ienen en su estructura átomos

de hidrógeno activo, y el número de átomos de hidrógeno activo por molécula de

iniciador constituye la funcionalidad del mismo (“Manual de Espuma...”, s.f.,

p.11). Se habla entonces de:

- Díoles: son polioles de funcionalidad 2, utilizados en elastómeros y

revestimientos.

- Trioles: son polioles de funcionalidad 3, utilizados en la fabricación de

espumas f lexibles

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17

- Tetroles a Octoles: son polioles de funcionalidad 4 a 8 utilizados en la

fabricación de espuma rígidas.

2.1.1.2 Isocianatos

Los isocianatos son compuestos en cuya estructura se encuentra el grupo -N = C = O.

Tienen varios propósitos, entre ellos reaccionar con el agua para formar dióxido de

carbono que sirve como agente soplante y reaccionar con los grupos funcionales en la

resina para asegurar que ésta se convierta en las moléculas del polímero. La

estequiometr ía de la reacción es tal que en las últimas etapas de la polimerización, los

grupos terminales del polímero son el grupo isocianato; esta alta reactividad ayuda a

asegurar que el máximo número de terminaciones de cadena se unirán a otras

terminaciones de cadena, dando una estructura de red aproximada a la teórica (Oertel,

1994).

Pueden ser aromáticos o alifáticos, siendo los aromáticos los más utilizados. Dentro de

este último grupo, los más comunes son (Oertel, 1994, p. 18):

- TDI (Diisocianato de Tolueno): puede estar puro, crudo o en prepolímero. El TDI 80/20 (80% del isómero 2,4 y 20% del isómero 2,6) es el más empleado debido

a que su producción es la más económica, y se usa en la fabricación de

espumas f lexibles. En la f igura 3 se muestran las estructuras químicas de ambos

isómeros.

2,4-TDI 2,6-TDI

Figura 3. Isómeros de TDI

- MDI (Diisocianato de Difenil Metano): se encuentra puro, como un sólido a

temperatura ambiente usado para preparar el prepolímero y en la producción de

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18

elastómeros; crudo, como un líquido negro usado para producir espuma rígida; y

en prepolímero. Su uso en la industria no es muy común debido a su costo

(Oertel, 1994, p.18).

- Prepolímeros de ambos.

Son muy estables a altas temperaturas, pero son productos muy tóxicos que requieren

de ciertos cuidados para su manejo.

2.1.1.3 Agentes de expansión

Al reaccionar el isocianato con el agua se produce dióxido de carbono, que es un gas

que expande toda la masa reactiva y la transforma en espuma. El agua es entonces el

agente químico de expansión.

Si se requiere una espuma suave de densidad inferior a 24 kg/m3, se utiliza un agente

físico de expansión secundario, que es un elemento inerte con el cual no se da ninguna

reacción con los otros componentes de la formulación (“Manual de Espuma...”, s.f.,

p.15). Estos agentes son todos los líquidos de bajo punto de ebullición, principalmente

solventes, que utilizan el calor desprendido de la reacción del poliol y el agua para

evaporarse y así incrementar el volumen y generar espuma. Los agentes físicos de expansión más comunes se muestran en la Tabla 1.

Nombre común Nombre químico y fórmula

Punto de Ebullición (°C)

Fluorocarburo-11 (F-11)

Refrigerante-11 (R-11)

Triclorofluorometano

CCl3F

23.8

Cloruro de Metileno Diclorometano

CH2Cl2

40

Fluorocarburo-12 (F-12)

Refrigerante-12 (R-12)

Diclorodif luorometano

CCl2F2

-29.8

Tabla 1. Agentes Físicos de Expansión más Comunes.2

2 [1]. Pág. 15

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19

2.1.1.4 Catalizadores

Los catalizadores promueven la reacción entre el poliol y el isocianato, as í como

también la reacción entre el isocianato y el agua. Son parte fundamental de la

formulación, pues permiten ajustar la reactividad según las necesidades del proceso,

disminuyendo la energía de activación. El catalizador se considera como el agente

controlante de la reacción, pues su principal tarea es dar el perf il de reacción deseado,

que se mide por los tiempos de crema, crecimiento, hilo (gel) y tack-free (Rusch &

Raden, 1980, p. 61). Para la producción de espumas de poliuretano se emplean

catalizadores de aminas y de estaño.

- Catalizador de aminas: se utilizan aminas terciarias, pues las aminas primar ias y

secundarias aunque también sirven como catalizadoras, reaccionan con el

poliuretano. Las aminas terciarias son importantes por los dos electrones libres

que tienen. Son buenos catalizadores para las reacciones de gelif icación y

expansión, y su función es balancear y controlar ambas reacciones con el f in de

controlar de manera adecuada el proceso de formación de la espuma. El tipo y

la concentración de las aminas pueden ser seleccionados para cumplir con

ciertos requerimientos del proceso como el perf il de crecimiento y tiempos de reacción; la dosis puede ajustarse para mejorar el paso de aire y reducir las

variaciones de densidad (“Manual de Espuma...”, s.f., p.16).

Los catalizadores amínicos más utilizados son los que se muestran en la Tabla

2.

- Catalizador de estaño: son catalizadores principalmente para la reacción de

gelif icación.

Para la producción de espuma r ígida se usan sólo catalizadores de aminas, puesto que

los catalizadores de estaño se descomponen en presencia de agua. Para producir

espuma flexible se emplea una combinación de ambos, con el f in de obtener celdas

abiertas.

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20

Composición química Observaciones 70% bis (dimetilaminoetiléter),

30% dipropilenglicol

Buen catalizador de expansión, da

un tiempo de crema menor

Trietilendiamina Fuerte catalizador de gelif icación

33% trietilendiamina,

67% dipropilenglicol

Fuerte catalizador de gelif icación

Dimetiletanolamina Fuerte catalizador de expansión

33% trietilendiamina,

67% monopropilenglicol Fuerte catalizador de gelif icación

Mezcla de aminas Buen catalizador de expansión. Tabla 2. Catalizadores Amínicos más Comunes.3

2.1.1.5 Surfactantes Los surfactantes actúan como agente de control en la formación de las celdas de

espuma, ya que regulan las dimensiones tanto del aire nucleante como de las burbujas

de gas, y como mejoradores de la mezcla, pues disminuyen la tensión superficial de los

productos que reaccionan con el f in de mejorar la miscibilidad de éstos. Lo anterior implica el aumento en la estabilidad de la espuma, evitando que colapse. Los

surfactantes generalmente son f luidos de dimetilsilicona o copolímeros orgánicos de

silicona/polioxialquileno. Estos surfactantes tienen diferentes grados de eficiencia y se

debe usar un producto específ ico elegido para ajustarse al tipo de espuma que se

produce (McBayer, s.f., p. 9)

2.1.1.6 Otros Pueden adicionarse otros aditivos como (“Manual de Espuma...”, s.f., p.16):

- Colorantes y pigmentos: pueden ser solubles o insolubles en agua

- Retardantes de llama: no todos son efectivos, pueden tener efectos

cancerígenos y efectos negativos en las propiedades físicas de la espuma.

3 [1]. Pág. 17

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21

- Agentes de entecruzamiento y extensores de cadena: se incorporan a la

estructura del polímero por medio de reacciones químicas. Son altamente

reactivos, por lo cual su selección debe ser muy cuidadosa.

- Agente antiespumante: afecta la tensión superficial de la espuma, resultando en

cambios en el tamaño de celda.

2.2 Espuma Flexible de Poliuretano La espuma flexible de poliuretano se produce por medio de la reacción entre el poliol y

el iscocianato. Las características físicas de la espuma flexible de poliuretano quedan

establecidas después de siete días de polimerizada o de siete días de curado (Correa,

2003). Puede producirse espuma flexible en bloques o moldeada.

2.2.1 Componentes de la Formulación

Para obtener espuma flexible de poliuretano es importante tener en cuenta los

componentes de la formulación, con el f in de lograr un producto con las características

deseadas.

A continuación se evalúan dichos componentes:

2.2.1.1 Poliol Se usan principalmente trioles con pesos equivalentes entre 500 y 2500, o mezclas de

trioles y dioles cuya funcionalidad total sea menor a 2.5. Los polioles usualmente son

trioles de poli(oxipropileno) con bloques de oxietileno que varían del 5% al 20% en peso

(“Manual de Espuma...”, s.f., p.13).

2.2.1.2 Isocianato Se emplea una resina lineal o una ligeramente ramificada para la producción de

espumas f lexibles. El isocianato que estándar que se emplea en la fabricación de

espuma flexible de poliuretano es el TDI 80/20.

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22

2.2.1.3 Agente de Expansión Como agente químico de expansión se emplea únicamente agua, para producir dióxido

de carbono que actúa como agente físico de expansión.

2.2.1.4 Catalizador Para la espuma flexible, se emplea una combinación de catalizadores de aminas y

estaño. Tanto el catalizador de estaño como el amínico deben, en teoría, estar

presentes en proporciones exactas con el f in de que la reacción de gelación, catalizada

por el estaño, esté en fase con la formación de gas de la reacción de soplado,

catalizada por la amina (Rusch & Raden, 1980, p. 69). Si la cantidad de estaño es muy

alta en comparación con la de amina, se obtiene una espuma con alto número de

celdas cerradas que resultan de una gelación rápida, y si es demasiado alta, la espuma

se encoge al aumentar la diferencia de presión porque la presión externa permanece

igual mientras que la presión en las moléculas disminuye. Por otro lado, si la cantidad

de amina es muy alta con respecto a la de estaño, la espuma tendrá celdas demasiado

abiertas debido a la formación rápida del agente soplante (CO2) y, si es muy abierta, la

espuma puede colapsar porque carece de la fuerza necesaria para retener el agente

soplante.

Debido a que es imposible mantener la proporción exacta entre la amina y el estaño, se

considera entonces una latitud de estaño (Rusch & Raden, 1980, p. 69) en la

formulación. Se han hecho estudios experimentales (Rusch & Raden, 1980, p. 69)

dejando f ija la cantidad de catalizador amínico y variando la de estaño, midiendo el

tiempo de crecimiento de la espuma con diferente cantidad de catalizador de aminas, y

formulando distintas cantidades de estaño para cada cantidad de aminas. Debe

encontrarse el rango de cantidad de estaño en el cual se obtenga la espuma con el

tamaño de celda deseado, sin que colapse.

El octoato de estaño es el catalizador de estaño más utilizado para la producción de

espumas f lexibles en bloques. Por debajo del nivel mínimo de octoato de estaño, la

espuma se raja porque la reacción de gelif icación es insuficiente frente a una expansión

excesiva. Si se incrementa levemente la concentración de octoato de estaño, se obtiene

una espuma bien abierta con cierta densif icación (asentamiento). A medida que

aumenta la concentración del catalizador de estaño, la espuma se va haciendo más

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23

compacta, previniendo la densif icación, y a concentraciones mayores, la espuma se

encogerá en cierto grado porque gelif icará rápido, dando lugar a celdas cerradas

difíciles de estallar (“Manual de Espuma...”, s.f., p.17).

2.2.1.5 Surfactante Si se produce espuma flexible en bloques, es necesaria la presencia de un nivel mínimo

de silicona, pues si se está por debajo de este nivel se presentan f isuras, colapsos o

celdas muy grandes. Si se busca una espuma abierta, permeable al aire, pueden usarse

niveles de silicona que superen un mínimo dado, pues a medida que aumenta la

concentración de la silicona se obtiene una espuma más compacta, estrechándose los

límites de estaño. Si la concentración de silicona es mayor, se obtienen espumas

compactas con bajas propiedades de resistencia mecánica.

Los surfactantes son clave para obtener una buena espuma, pues las diferentes

reacciones químicas que ocurren mientras la masa se espuma y crece no pueden

ocurrir en ausencia del surfactante. Son necesarios porque permiten una dispersión

uniforme de los componentes, y ayudan a controlar la ruptura de las paredes de las

celdas en el momento preciso par alcanzar la estructura de celdas deseada. Si bien el

surfactante no altera la cinética de la reacción en el proceso de formación de la espuma, ante su ausencia el sistema experimenta coalescencia catastrófica y eventualmente

colapsa. El surfactante es adsorbido por la interfaz aire-poliol, y puede por lo tanto tener

un efecto signif icativo en la generación de las burbujas de aire y el consecuente tamaño

de celda, ya que la presencia de la silicona estabiliza las paredes de las celdas del

polímero y minimiza la coalescencia de las burbujas, controlando la ruptura de las

celdas en el momento preciso para alcanzar una estructura de celdas f inas y abiertas.

(Mascoli, 1984, p.7).

2.2.1.6 Agente Antiespumante El agente antiespumante es un aditivo más para la formulación; si bien no constituye un

componente básico de ésta, estudios anteriores han llegado a la conclusión de que su

uso permite modif icar el tamaño de celda de la espuma, teniendo un desempeño similar

al del surfactante (Rey, 2006, p. 59, 78), con este aditivo se logra un aumento en la

tensión superficial del líquido en el que crecen las burbujas, logrando un mayor tamaño

de celda.

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24

2.2.2 Técnicas de Producción

Para la producción de espumas f lexibles se cuenta con diferentes técnicas con las

cuales se controla la formulación para obtener las propiedades físicas deseadas en el

producto f inal. Entre las técnicas se encuentran:

2.2.2.1 Sistema de Una Etapa Se dosif ican y bombean de forma simultánea los componentes de la formulación, que

se preparan en un número de componentes o caudales que va de cuatro a once, y se

llevan al mezclador donde se mezclan, se esparcen y se forma la espuma. Las

reacciones inician inmediatamente, y el crecimiento de la espuma comienza

aproximadamente 10 segundos después de que comienza el mezclado y se completa

en 1 o 2 minutos (Oertel, 1994). La espuma continúa su curado durante varias horas. Es

el método más utilizado por las máquinas modernas para la producción de espuma de

poliuretano f lexible (“Manual de Espuma...”, s.f., p.25).

2.2.2.2 Sistema de Dos Componentes Se mezclan con anterioridad todos los componentes excepto el isocianato, que se hace

reaccionar luego con la mezcla, llamada pre-mezcla de poliol. Se t ienen entonces dos componentes; el Componente A es el isocianato, y el componente B es la pre-mezcla

de poliol. La ventaja es que van sólo dos componentes al mezclador, pero es difícil

hacer cambios en la formulación y, en espumas f lexibles, la hidrólisis del catalizador de

estaño puede ser un problema. Este sistema se emplea para bloques de espuma

flexible en cajón y moldeadas, al igual que espuma r ígida (“Manual de Espuma...”, s.f.,

p.26).

2.2.2.3 Sistema de Cuasi-Prepolímero Contiene isocianato en exceso. Una parte del isocianato se hace reaccionar con todo el

poliol, formando un prepolímero que contiene un exceso de isocianato sin reaccionar. El

poliol restante se mezcla con los otros adit ivos para formar una pre-mezcla, y tanto el

prepolímero como la pre-mezcla se llevan al mezclador. Es un proceso útil para la

formación de espumas rígidas.

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25

2.3 Espuma Flexible de Poliuretano de Celda Grande y Abierta

2.3.1 Formación de la Espuma

La celda es sinónimo de burbuja o de poro, y se refiere a las cavidades dejadas en la

estructura de la espuma una vez se ha polimerizado y solidif icado por completo. En

espumas f lexibles se trata de obtener celdas abiertas.

La preparación de la espuma involucra la formación de burbujas de gas en un sistema líquido que se está polimerizando, así como también el crecimiento y estabilización de

dichas burbujas mientras el polímero se forma y se cura. Por esta razón, los conceptos

coloidales asociados a la nucleación de burbuja, crecimiento y estabilidad, son

primordiales en la comprensión de la química de la espuma.

Los cambios rápidos y drásticos en el sistema mientras que se forma y cura la espuma

limitan la confiabilidad de los datos de los sistemas coloidales gas-líquido, en los que la

naturaleza de la fase líquida cambia poco durante un intervalo de la experimentación.

Sin embargo, se asume que las relaciones normales coloidales son aplicables a los

primeros 10 a 30 segundos del t iempo de preparación de la espuma (Oertel, 1994, p.

239); los primeros 30 segundos después de la mezcla de los componentes son

decisivos en la obtención o no del tamaño de celda deseado.

La formación de la espuma pasa por varias etapas. En la primera, el agente soplante

genera un gas en solución en la fase líquida; este gas alcanza su límite de saturación

en la solución, luego se vuelve supersaturado, y f inalmente sale de la solución en forma

de burbuja, proceso conocido como nucleación. La nucleación se apoya en la presencia

de un agente nucleante. En un comienzo las burbujas son esféricas, pero pierden esa

forma cuando la fase líquida se vuelve más delgada, y f inalmente asumen una

estructura ligada por medio de membranas de líquido de polimerización. A continuación

se explican en detalle las distintas etapas.

2.3.1.1 Nucleación La formación de burbujas de gas, llamada nucleación, es clave en la producción de la

espuma. El gas, que puede ser dióxido de carbono, debe salir de la solución, formando

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26

rápidamente en la masa líquida muchas burbujas pequeñas, que deben estabilizarse

mientras que se polimeriza el medio líquido.

Aproximadamente en los primeros 10 segundos (tiempo de crema), la concentración de

gas es la solución excede la concentración de saturación en equilibrio, por lo cual la

solución se vuelve supersaturada; al generarse gas rápidamente, se alcanza la

concentración donde comienza la auto-nucleación (Oertel, 1994, p. 239). La generación

de gas puede acelerarse mediante el manejo de catalizadores para la reacción de

expansión. Esta auto-nucleación ocurre mientras la concentración de gas esté dentro de

un rango determinado, y cuando se libera la concentración de gas se detiene la

formación de burbujas. Sin embargo, la concentración del gas en la solución disminuye

luego por la difusión del gas en las burbujas existentes, hasta que f inalmente no se

genera más gas y se alcanza el equilibrio de la concentración de saturación del gas en

la solución. A partir de ese momento, las burbujas crecen únicamente debido a la

difusión del gas de burbujas pequeñas a burbujas grandes.

Lo anterior sucede sin la presencia de agentes nucleantes, aunque es usual que se

agreguen. Si están presentes, es de esperarse un comportamiento simular al ya

descrito, excepto porque la formación de burbujas ocurre a concentraciones de gas menores que si no se tiene el agente, resultando en una nucleación más rápida. Las

celdas f inas resultan de una nucleación rápida y de nucleación continuada a grados

relativamente bajos de supersaturación, formándose más celdas (Oertel, 1994, p. 240).

2.3.1.2 Estabilidad

Con el f in de dispersar un volumen de gas dado en una unidad de volumen de líquido,

en la solución líquida siempre hay tendencia a que el área interfacial disminuya, lo cual

implica que se requiere un mayor incremento en la energía libre del sistema para

producir celdas f inas que celdas grandes. Así, si se disminuye la tensión superficial, se

obtienen celdas f inas, se disminuye la diferencia de presión entre burbujas y se

favorece la estabilidad y la formación de celdas pequeñas.

El tamaño de las celdas cambia con el tiempo debido a la difusión de gas de la fase

líquida a la celda, as í como también por la coalescencia de las celdas. La burbuja

adquiere una forma esférica y, teóricamente, la presión del gas en la burbuja es mayor

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27

que la presión en el líquido que la rodea por una diferencia ∆P; la presión del gas en

una burbuja pequeña es mayor que en una burbuja grande, por lo cual hay difusión de

gas de las burbujas pequeñas a las grandes, tendiendo a desaparecer las primeras y a

crecer las segundas. Así, si se disminuye la tensión superficial, se obtienen celdas f inas,

se disminuye la diferencia de presión entre burbujas y se favorece la estabilidad y la

formación de celdas pequeñas.

Otros factores determinantes en la estabilidad de la espuma son la temperatura, el

drenaje debido a la capilaridad, y la viscosidad del sistema inicial; el incremento de ésta

última retrasa el adelgazamiento de las membranas.

De acuerdo con esto, para obtener celdas abiertas es necesario aumentar la tensión

superficial.

2.3.2 Viscoelasticidad Al producir una espuma flexible se observa que el sistema líquido inicial cambia primero

a un gel plástico, soluble, muy viscoso y de peso molecular moderado. Luego cambia a

un polímero elástico, debido a que se producen ramificaciones que hacen que se vuelva insoluble. Finalmente, cuando se ha alcanzado un alto peso molecular con cadenas

largas, se tiene un polímero muy elástico sin ningún carácter viscoso.

La apertura de las celdas en la espuma flexible ocurre cuando la espuma alcanza su

altura máxima. Experimentalmente se ha demostrado (Oertel, 1994, p. 251) que las

celdas se abren cuando se observan los últimos restos de gas; en ese instante las

membranas de las celdas tienen alta viscosidad, pero aún no son muy elásticas. La alta

viscosidad impide que la membrana f luya lo suficientemente rápido como para que se

expanda y libere el gas que aún se genera, y la baja elasticidad impide que la celda se

estreche. La combinación de la limitación de la celda a expandirse, junto con el

incremento en la presión del gas y la baja resistencia mecánica de la membrana resulta

en la ruptura de ésta, formando celdas abiertas (Oertel, 1994, p. 251).

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28

3. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

3.1 Materiales Para la elaboración de las espumas f lexibles de poliuretano de todo el proyecto se

emplearon los reactivos que se muestran en la Tabla 3, cuyas características se

describen en la misma tabla.

Reactivo Características

Poliol Voranol 6003 Funcionalidad: 3

Iniciador: Glicerina

Catalizador de

Amina

Mezcla de DABCO

33LV y DABCO NIAX

A1 (proporción 3:1)

DABCO 33-LV es una solución de

Trietilendiamina (33%) en

Dipropilenglicol (67%).

NIAX A1 es una mezcla de aminas

terciarias y glicol.

Catalizador de

Estaño

DABCO T9 Sigma Octoato de Estaño

Densidad a 21°C: 1.25 g/cm3

Insoluble en agua

Agente de

expansión físico

Cloruro de Metileno Densidad a 20°C: 1.33 g/cm3

Punto de fusión: -95°C

Punto de ebullición (760 mmHg): 40°C

Agente de

expansión químico

Agua Densidad a 4°C: 1 g/cm3

Punto de fusión: 0°C


Isocianato TDI 80 Tolueno 2,4 diisocianato.


Punto de fusión: 12 - 14°C


Antiespumante INDOL NDW 1-Benzazol, 1H-Benzo [p] pirrol


Punto de fusión: 52°C

Punto de ebullición (760 mmHg): 254°C Tabla 3. Reactivos empleados en la obtención de espumas flexibles de poliuretano

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29

De acuerdo con los objetivos del proyecto, se ensayaron diferentes surfactantes con el

f in de encontrar aquel con el que se obtuvieran espumas abiertas con celdas grandes.

Los surfactantes utilizados se describen en la Tabla 4

Surfactante Características NIAX L-540 Copolímero polialquilenoxido metilsoloxano

Gravedad Específ ica (25°C) 1.03 g/cm3

Estable para premezcla

Surfactante de uso general sin retardante a la llama

BF-2370 Copolímero en bloque Polisiloxano polioxialquileno.

Viscosidad (25°C) 1150 ± 150 mPas

Gravedad específ ica (25°C) 1.05 g/cm3

NIAX L-620 Copolímero polialquilenoxido metilsiloxano, 30-60%

Polialquilenoxido 30-60%



Viscosidad (25°C) 750 cSt


Surfactante de alta potencia con amplia latitud de procesamiento

L-5770 Copolímero polialquilenoxido metilsiloxano, 30-60%

Polialquilenglicol 30-60%


Polialquilenglicol 1-5%

Viscosidad (25°C) 650 cSt


Para espumas que requieren agentes retardantes a la llama

Provee espumas de baja densidad

Surfactante de potencia media para celdas f inas

Tabla 4. Surfactantes para la Producción de Espuma Flexible de Poliuretano

El poliol (Voranol 6003), el isocianato (TDI 80) y el cloruro de metileno fueron

comprados a la empresa Espumlatex. Los otros reactivos se encuentran disponibles en

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30

el Laboratorio de Poliuretanos ubicado en el edif icio Mario Laserna de la Universidad de

Los Andes.

3.2 Métodos

Para la producción de espumas f lexibles de poliuretano existen diferentes técnicas

mediante las cuales se controla la formulación para obtener las propiedades físicas

deseadas en el producto f inal. En este proyecto se emplea un sistema de tres etapas,

como se observa en la Figura 5, en el cual se mezclan primero el poliol, agua, catalizador de amina, cloruro de metileno, silicona surfactante y el agente

antiespumante (cuando aplica) en las cantidades determinadas por la formulación. Esta

primera premezcla se denomina Componente A, y tiene un t iempo de agitación de 85

segundos (Márquez, 2007). A continuación se agrega el catalizador de estaño, que es el

Componente B, y se agita durante 10 segundos. Por último, se agrega el isocianato,

denominado Componente C, y se mezcla durante 4 segundos. El isocianato debe

añadirse lo más rápido posible, pues en ese momento comienza la reacción de

polimer ización. La mezcla de los tres componentes A, B y C se lleva a un cajón de

380x380x200 mm, donde se deja curar a temperatura ambiente durante 24 horas, para

luego cortar la espuma resultante.

Dichas mezclas se realizan utilizando el agitador que se observa en la Figura 4. Este

agitador alcanza una velocidad de hasta 3000 rpm. La principal función del agitador es

mezclar los diferentes componentes, pero también puede servir para ayudar a controlar

el tamaño de las celdas. Los componentes deben mezclarse completamente, pero no

deben sobre-mezclarse. Si la energía del mezclado es muy baja, la espuma resultante

tendrá celdas cerradas, pero si la energía es muy alta, la espuma se rompe. En general,

al aumentar la energía, las celdas se vuelven más pequeñas (Mascoli, 1984, p. 30). La

energía que se añade al sistema en forma de trabajo de mezcla se manif iesta como

calor, afectando así el balance entre la generación de gas y la gelación; dicha energía

es función de la viscosidad, la velocidad del agitador, el tiempo de mezcla y el diseño

del mezclador, por lo cual es muy difícil obtener el mismo resultado si se hace la misma

formulación en dos máquinas diferentes.

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31

En este caso, se utilizó el mismo agitador para hacer todas las espumas del proyecto.

La velocidad de agitación se mantuvo en 2000 rpm para todos los experimentos,

mientras que el tiempo de mezcla fue más difícil de controlar debido a la ausencia de un

cronómetro incorporado al agitador que lo detuviera cuando se cumpliera el tiempo

previsto (ver Figura 5), obligando a que el procedimiento fuera manual y, por

consiguiente, haciendo que el tiempo de mezcla variara en algunos segundos para cada

experimento. Sin embargo, se procuró detener el agitador a los tiempos establecidos

(ver Figura 5).

Figura 4. Agitador

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32

Figura 5. Sistema de producción de espuma flexible de poliuretano en tres etapas

El sistema de tres etapas que se utiliza tiene como objetivo prevenir las siguientes

combinaciones de reactivos, ya que pueden reaccionar o causar degradación (Mascoli,

1984, p. 27):

- Catalizador de estaño y agua: el agua puede degradar rápidamente la actividad

del catalizador, lo cual puede verse cuando la mezcla se torna nublosa.

- Catalizador de estaño y catalizador de amina: los catalizadores fuertemente

básicos pueden causar cierta degradación de la actividad del catalizador de

estaño. No tiene un efecto tan fuerte como lo tiene el agua, pero implica que

pueden requerirse niveles más altos para estabilizar la espuma.

- Poliol e isocianato: estos componentes reaccionan entre s í, por lo cual no deben

ser mezclados previamente. La velocidad de la reacción depende del poliol, del

isocianato y de la temperatura.

- Agua e isocianato: no deben mezclarse previamente, ya que su reacción es

lenta si no hay catalizador, pero una vez comienza, se vuelve auto-catalít ica.

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33

- Silicona surfactante e isocianato: ya que la mayoría de surfactantes son

copolímeros con una base de poliol, pueden reaccionar para formar un

prepolímero.

- Silicona surfactante y agua: debe conocerse el tipo de surfactante (soluble en

agua, insoluble, hidrolizable, no hidrolizable).

Este sistema de producción presenta como ventaja principal que sólo se llevan tres

componentes al mezclador, pero es difícil hacer cambios en la formulación. Este es el

método empleado para producir espuma flexible en cajón, de forma discontinua.

3.3 Procedimiento Experimental

Para el desarrollo del proyecto se realizó una experimentación secuencial, compuesta

por cuatro etapas de experimentación; los resultados obtenidos en cada etapa se

utilizaron para decidir las condiciones de experimentación de la siguiente.

3.3.1 Variables de Respuesta

Las variables de respuesta seleccionadas para todas las etapas de experimentación

son la permeabilidad promedio de la espuma y el tamaño de celda promedio. Aunque

en un comienzo se planteó hacer la caracterización de las espumas en cuanto a sus

propiedades mecánicas de acuerdo con la norma ASTM 3574-81, esto no fue posible ya

que las dimensiones de las espumas resultantes son muy pequeñas y no se pueden

sacar las probetas del tamaño necesario para las pruebas.

Para realizar las pruebas de permeabilidad y de tamaño de celda se cortan 4 probetas

de 50x50x25 mm de cada una de las espumas obtenidas.

3.3.1.1 Permeabilidad

La determinación de la permeabilidad promedio de la espuma se hace utilizando un

equipo denominado “porosímetro de mercurio”, que se encuentra ubicado en el

Laboratorio de Poliuretanos de la Universidad de Los Andes. El equipo se observa en la

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34

Figura 6. Dicho equipo hace pasar un f lujo de aire a través de la muestra y mide la

velocidad del paso de éste, en ft3/min. La prueba se hace según la norma ASTM D3574-

G

Figura 6. Porosímetro de Mercurio

3.3.1.2 Tamaño de Celda

Para determinar el tamaño de celda promedio de la espuma se emplea un microscopio

óptico con un aumento de 40X, que está ubicado en el Laboratorio de Ingenier ía

Mecánica de la Universidad de Los Andes. En la Figura 7 se observa el microscopio

empleado. La prueba se hace según la norma ASTM D3576.

Figura 7. Microscopio Óptico

A continuación se describe lo realizado en cada una de las etapas de experimentación.

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35

3.3.2 Pre-Experimentación

Con el f in de corroborar los resultados obtenidos en el proyecto anterior (Márquez,

2006), se realizaron réplicas de las espumas que dieron un tamaño de celda más

grande y con mayor permeabilidad. Con el f in de obtener una espuma cuya densidad

sea de 15 kg/m3, se utiliza la formulación que se observa en la Tabla 5. En esta etapa

se cambia la cantidad de agente antiespumante, manteniendo constantes las

cantidades de los otros reactivos. La silicona surfactante es Niax L-540, y el agente

antiespumante es INDOL NDW; las principales características de ambos se observan

en las Tablas 4 y 3, respectivamente.

Componente Cantidad Poliol 600 g

Agua 30 g

Cloruro de metileno 31 g

Catalizador amínico 0.6 g

Silicona surfactante L-540 8.4 g

Catalizador de estaño 0.8 ml

Isocianato 393.52 g

Agente antiespumante 9.0 g

9.5 g

10.0 g Tabla 5. Formulación util izada en la Pre-Experimentación

Estas espumas se hicieron en el equipo Box Foamer, donde se da el crecimiento de la

espuma. El Box Foamer es un equipo que cuenta con un agitador y un vaso de mezcla

cuya capacidad es de aproximadamente 1600 g, ambos en acero inoxidable. (Solano,

2003, p.30)

3.3.3 Primera Experimentación

Para esta etapa se decidió suprimir el uso del agente antiespumante, con el f in de

evaluar la inf luencia de otros factores en la formulación. Se continúa con la formulación

para espumas de densidad 15 kg/m3, pero se prepara 1/4 de la formulación utilizada en

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36

la pre-experimentación, debido a que el Box Foamer no pudo seguirse usando porque

fue trasladado al nuevo Laboratorio de Poliuretanos de la Universidad y posteriormente

se le realizó un mantenimiento, por lo cual estuvo fuera de servicio durante varios

meses. Por esta razón, las espumas de la primera, segunda y tercera experimentación

fueron preparadas utilizando el agitador que se muestra en la Figura 4, el cual t iene

menor capacidad que el Box Foamer. En la Tabla 6 se muestra la formulación

empleada.

Componente Cantidad

Poliol 150 g Agua 7.5 g

Cloruro de metileno 7.5 g


Silicona surfactante Tipo y cantidad variables

Catalizador de estaño 0.2 ml

Isocianato 98.25 g Tabla 6. Formulación util izada en la Primera Experimentación

Los factores elegidos para realizar el diseño de experimentos son el tipo de surfactante

y la cantidad de éste que se añade a la formulación, ya que de acuerdo con la revisión bibliográfica y con los objetivos planteados en el proyecto, se considera que estas

variables pueden afectar el tamaño de celda y la permeabilidad, que son las variables

de respuesta. Así, se plantea entonces un experimento factorial completo 32,

considerando 3 niveles para cada uno de los dos factores elegidos, lo cual resulta en la

realización de 9 experimentos con sus réplicas, como se muestra en la Tabla 7. Se

descarta el uso de la silicona surfactante Niax L-540, debido a que se encontraron otras

siliconas que ofrecen mayores ventajas en la producción de la espuma flexible de

poliuretano que se busca en el proyecto.

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Experimento Réplica Silicona Cantidad

A A’ BF-2370 1.9 g B B’ BF-2370 2.1 g

C C’ BF-2370 2.6 g

D D’ L-620 1.9 g

E E’ L-620 2.1 g

F F’ L-620 2.6 g

G G’ L-5770 1.9 g

H H’ L-5770 2.1 g

I I’ L-5770 2.6 g Tabla 7. Diseño de Experimentos para la Primera Experimentación

En el proyecto anterior se recomendó la inmersión de las espumas en una solución de

soda cáustica. En este proyecto se preparó una solución 5M de NaOH, y se

sumergieron durante 24 horas una probeta de cada uno de los experimentos, cuyas

medidas son 50x50x20 mm. Al cabo de las 24 horas, se extrajeron las probetas, se

secaron bien y se dejaron en el horno a 80°C durante 24 horas, con el f in de evaporar

completamente todo el NaOH. Luego se les hace pasar un f lujo de aire, para enfriarlas y

sacar los residuos de NaOH que puedan quedar. Tanto a las espumas sin NaOH como

a las espumas con NaOH se les realizaron las pruebas de permeabilidad y de tamaño de celda.

3.3.4 Segunda Experimentación

De acuerdo con los resultados obtenidos en la primera experimentación, se decide

trabajar con la silicona surfactante L-5770, que dio espumas con una mejor

permeabilidad y mayor tamaño de celda que las espumas obtenidas con los

surfactantes BF-2370 y L-620. De esta forma, el único factor que se considera para la

segunda parte de la experimentación es la cantidad de surfactante, con el f in de evaluar

su influencia en las variables de respuesta. En la Tabla 8 se muestra la formulación

utilizada, que es la misma de la primera experimentación.

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38

Componente Cantidad




Silicona surfactante Variable Catalizador de estaño 0.2 ml

Isocianato 98.25 g

Tabla 8. Formulación util izada en la Segunda Experimentación

Debido a que se considera un sólo factor, se toman 6 niveles para éste, planteándose

entonces un diseño de experimentos factorial completo 16. Se realizan 6 experimentos

con sus réplicas, de acuerdo con lo que se observa en la Tabla 9.

Experimento Réplica Cantidad Silicona L-5770 2-A 2-A’ 1.9 g

2-B 2-B’ 1.7 g

2-C 2-C’ 1.5 g

2-D 2-D’ 1.3 g

2-E 2-E’ 1.0 g

2-F 2-F’ 0.5 g Tabla 9. Diseño de Experimentos para la Segunda Experimentación

3.3.5 Tercera Experimentación

Para esta etapa se considera el uso del agente antiespumante en la formulación, con el

f in de evaluar su influencia en las variables de respuesta. Así mismo, se evalúa la

influencia de la cantidad de surfactante en la formulación. La silicona surfactante

empleada continúa siendo L-5770, y se utiliza en cantidades que dan estabilidad a la

mezcla. El agente antiespumante es INDOL NDW, que se utilizó también en la pre-

experimentación.

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39

En la Tabla 10 se observa la formulación para las espumas de esta etapa; es la misma

formulación empleada en las etapas anteriores, pero se incluye ahora el agente

antiespumante.

Componente Cantidad




Silicona surfactante Variable Agente antiespumante Variable Catalizador de estaño 0.2 ml

Isocianato 98.25 g Tabla 10. Formulación utilizada en la Tercera Experimentación

El diseño de experimentos es entonces un diseño factorial completo 32, ya que se

consideran 2 factores (cantidad de surfactante y cantidad de agente antiespumante), en

tres niveles cada uno, como puede verse en la Tabla 11. Se realizan también las

réplicas correspondientes.

Experimento

Réplica Cantidad

Antiespumante Cantidad Silicona

3-A 3-A’ 2.25 g 1.9 g

3-B 3-B’ 2.37 g 1.9 g

3-C 3-C’ 2.50 g 1.9 g

3-D 3-D’ 2.25 g 2.1 g

3-E 3-E’ 2.37 g 2.1 g

3-F 3-F’ 2.50 g 2.1 g

3-G 3-G’ 2.25 g 1.7 g

3-H 3-H’ 2.37 g 1.7 g

3-I 3-I’ 2.50 g 1.7 g Tabla 11. Diseño de Experimentos para la Tercera Experimentación

IQ-2007-II-44

40

4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Con el f in de determinar la inf luencia de los factores elegidos en cada una de las etapas

de experimentación sobre las características f inales de la espuma, se realizaron las

mediciones de la permeabilidad promedio y del tamaño de celda promedio para cada

una de las espumas obtenidas en las etapas primera, segunda y tercera de

experimentación. En la pre-experimentación no se realizaron estas dos pruebas.

Para realizar un análisis más profundo de los resultados obtenidos, se utilizó el programa Design Expert para desarrollar el análisis de varianza ANOVA, efectuando

dicho análisis para las dos variables de respuesta (permeabilidad promedio y tamaño de

celda promedio) en cada una de las etapas de experimentación. Esta herramienta

permite obtener los perf iles para las interacciones de los factores estudiados durante la

experimentación. Todos los análisis de varianza se hicieron bajo un nivel de

confiabilidad del 99.5%.

4.3 Pre-Experimentación

A manera de pre-experimentación se realizaron tres espumas con el f in de corroborar

los mejores resultados obtenidos por Diana Márquez (Márquez, 2007). En la Tabla 12

se muestran los tiempos de crema y de crecimiento para las espumas obtenidas.

Tiempo Espuma A-1 Espuma A-2 Espuma A-3 Tiempo de crema 11 s 11 s 12 s

Tiempo de crecimiento 93 s 91 s 100 s Tabla 12. Tiempos de Crema y Crecimiento para las Espumas de la Pre-Experimentación

Los resultados cualitativos de las espumas obtenidas en la pre-experimentación se muestran en la Tabla 13.

IQ-2007-II-44

41

Espuma Resultado A-1

La espuma se forma adecuadamente, no colapsa ni se quiebra. Se

obtienen celdas uniformes; sin embargo, el tamaño de celda es

pequeño, no t iene buena permeabilidad.

A-2

La espuma se forma adecuadamente, no colapsa ni se quiebra.

Los resultados son similares a los del experimento A-1; aunque la

espuma crece un poco más, el tamaño de celda es pequeño, y la

espuma resultante no tiene la permeabilidad deseada.

A-3 Se aumentó la cantidad de surfactante, se disminuyó la de

catalizador de estaño y se aumentó la cantidad de antiespumante

con respecto a las espumas A-1 y A-2. El resultado fue que la

espuma colapsó a los 100 segundos, y las celdas no abrieron Tabla 13. Resultados Cualitativos de la Pre-Experimentación

Para esta etapa no se realizaron las pruebas de permeabilidad ni de tamaño de celda,

debido a que cualitativamente se determinó que las espumas obtenidas no tenían las

propiedades obtenidas anteriormente (Márquez, 2007). En el caso de las espumas A-1

y A-2, esto puede deberse a cambios leves en las condiciones de experimentación, bien

sea en la velocidad de agitación o en las condiciones en las que se encontrara algún

reactivo, así como también en la cantidad de los reactivos de la formulación.

En el caso de la espuma A-3, es posible que la cantidad de catalizador de estaño con

respecto a la de catalizador de amina sea muy baja, por lo cual la espuma colapsa

debido a que carece de fuerza para retener el agente espumante. Así mismo, ya que se

aumentó la cantidad de surfactante, se estrechan los límites de estaño, haciendo que la

espuma colapse.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se hizo necesario evaluar a profundidad

los cambios en la formulación que se habían hecho en proyectos anteriores, con el f in

de manejar nuevas variables en la formulación para obtener las celdas del tamaño y

características requeridas para la producción de materiales cerámicos porosos.

IQ-2007-II-44

42

4.4 Primera Experimentación

Se decidió evaluar la inf luencia del t ipo de surfactante en la formación de la espuma,

pues se ha demostrado que los surfactantes tienen un efecto importante tanto en la

generación de espumas como en la estabilización de la celda. Si bien no alteran la

cinética de la reacción en el proceso de formación de la espuma, si no hay surfactante

el sistema colapsa (Zhang, et al, 1999).

La estructura de la silicona surfactante tiene gran influencia en el tamaño de celda de la

espuma y en su permeabilidad, que se relaciona directamente con el porcentaje de

celdas abiertas de la espuma (Zhang, et al, 1999). Un surfactante con alto contenido de

silicona provee menor tensión superficial, reduciendo la energía necesaria para formar

una burbuja, lo cual contribuye a incrementar el número de burbujas de aire que se

introducen a la mezcla y que sirven como punto de partida para el crecimiento de la

celda. Así, el número de burbujas que se introducen a la mezcla y el tamaño f inal de la

celda son determinados por la habilidad del surfactante para disminuir la tensión

superficial. Por esta razón, recientes estudios (Zhang, et al, 1999) han demostrado que

una espuma hecha con un surfactante que tenga un alto contenido de silicona t iene

burbujas más pequeñas, por lo cual las celdas son f inas.

Para obtener celdas grandes lo importante es entonces utilizar un surfactante que no

disminuya tanto la tensión superficial, para que puedan introducirse menos burbujas al

sistema y, por consiguiente, aumente el tamaño de celda y las celdas sean abiertas,

aumentando la permeabilidad. Si bien para los surfactantes utilizados no se encontró el

contenido exacto de silicona (ver Tabla 4), en las hojas de datos correspondientes se

indica el uso y las propiedades que adquieren las espumas que se preparan con cada

uno de los surfactantes.

En cuanto a la cantidad de surfactante, se eligió como un factor en la experimentación,

pues se el aumento en la cantidad de surfactante hace que la tensión superficial

disminuya y, por ende, las burbujas de aire que se introducen al sistema son más f inas,

resultando en celdas más f inas.

IQ-2007-II-44

43

En la Tabla 14 se observan los resultados de la prueba de permeabilidad para todas las

espumas realizadas en esta etapa de experimentación. En la Figura 8 se ven los

resultados graficados contra la cantidad de surfactante para los diferentes tipos de

surfactante que se utilizaron. Es claro que el surfactante con el que se obtienen

espumas con mejor permeabilidad es el L-5770, que es una silicona utilizada en la

producción de espumas de baja densidad que provee mínimos gradientes de densidad.

Tiene además una amplia latitud de procesamiento, permitiendo su uso en un amplio

rango de aplicaciones. Da además buenos perfiles de permeabilidad en todo el rango

de formulaciones de espuma que se realicen (“Niax Silicone L-5770...” , s.f., p.1). Con el

surfactante L-620 la permeabilidad es más alta que con el surfactante L-5770 al usar 1.9

g de surfactante, pero luego la permeabilidad es intermedia entre el L-5770 y el BF-

2370. Este surfactante se utiliza en espumas que usan como agente espumante sólo

agua o también cloruro de metileno. Da un buen perfil de permeabilidad para todas las

formulaciones en un amplio rango de niveles de silicona y de catalizador de estaño

(“Niax Silicone L-620...”, s.f., p.1); si bien esto es cierto, es indudable la superioridad del

L-5770 en este aspecto. En cuanto al surfactante BF-2370, se observa que la

permeabilidad de las espumas preparadas con éste es inferior a la obtenida con los

otros dos surfactantes cuando se utilizan 2.1 g de silicona. Este surfactante ofrece una

amplia latitud de procesamiento y una estructura de celdas abiertas, dando estabilidad a la espuma (Tegostab® BF 2370, s.f., p.1).

En cuanto a la permeabilidad, en la Figura 8 se corrobora que, en general, al aumentar

la cantidad de silicona surfactante disminuye la permeabilidad. Esto sucede debido a

que la disminución en la tensión superficial de la mezcla que causa el aumento del nivel

de silicona hace que las celdas sean más f inas y, por lo tanto, la permeabilidad sea

menor.

IQ-2007-II-44

44

Experimento Surfactante Cantidad de Surfactante (g)

Permeabilidad Promedio sin NaOH (ft3/min)

Permeabilidad Promedio con NaOH (ft3/min)

A BF-2370 1.9 5.3 5.4

A' BF-2370 1.9 4.9 5.2

B BF-2370 2.1 1.9 3.3

B' BF-2370 2.1 1.5 3.2

C BF-2370 2.62 1.8 4.5

C' BF-2370 2.62 1.4 4.0

D L-620 2.62 5.2 5.5

D' L-620 2.62 5.0 5.3

E L-620 1.9 1.4 3.1 E' L-620 1.9 1.0 2.7

F L-620 2.1 4.8 5.6

F' L-620 2.1 4.6 4.8

G L-5770 2.62 3.9 5.6

G' L-5770 2.62 3.6 5.4

H L-5770 1.9 4.1 4.8

H' L-5770 1.9 3.8 4.2

I L-5770 2.1 5.5 5.6

I' L-5770 2.1 5.4 5.5

Tabla 14. Resultados de Permeabilidad para la Primera Experimentación

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

6.5

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7Surfactante (g)

Perm

eabi

lidad

Pro

med

io (f

t3 /min

)


IQ-2007-II-44

45

Como en un proyecto anterior (Márquez, 2007) se hizo la recomendación de sumergir

las muestras en una solución de soda cáustica para abrir las celdas y mejorar la

permeabilidad, se tomó entonces una probeta de cada una de las espumas producidas,

y se sumergieron en una solución 5M de NaOH. Los resultados se observan también en

la Tabla 14. En las Figuras 9, 10 y 11 se puede ver el efecto de la soda cáustica en la

apertura de las celdas con los diferentes surfactantes. Es claro que la inmersión de las

espumas en una solución concentrada de NaOH hace que las celdas se rompan,

aumentando as í la permeabilidad. Es importante tener un cuidado especial al secar el

NaOH de las espumas, pues pueden quedar residuos que pueden cristalizarse y

obstruir el paso de aire, afectando la permeabilidad, además de que es un compuesto

tóxico que puede causar daños a la salud.

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Surfactante BF-2370 (g)

Perm

eabi

lidad

Pro

med

io (f

t3 /min

)

Figura 9. Primera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante BF-2370

IQ-2007-II-44

46

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Surfactante L-620 (g)

Perm

eabi

lidad

Pro

med

io (f

t3 /min

)

Figura 10. Primera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante L-620

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7Surfactante L-5770 (g)

Perm

eabi

lidad

Pro

med

io (f

t3 /min

)

Figura 11. Primera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante L-5770

Con respecto al tamaño de celdas, los resultados se muestran en la Tabla 15, y en la

Figura 12 se encuentra la gráfica correspondiente con las barras de error para cada

experimento y su réplica. De nuevo, el surfactante con el que se obtiene el mayor

tamaño de celda es el L-5770, para todas las cantidades que se probaron. Si bien el

surfactante NIAX L-5770 está formulado para dar una estructura de celdas f inas (“Niax

Silicone L-5770...”, s.f., p.2), los resultados demuestran que se pueden obtener celdas

de mayor tamaño que con los otros surfactantes. El BF-2370 presenta un tamaño de

IQ-2007-II-44

47

celda intermedio entre los otros dos surfactantes, excepto con 2.6 g de silicona. El

surfactante con el que se obtienen las celdas más pequeñas es el L-620.

En la Figura 12 también se hace evidente que al aumentar la cantidad de surfactante

disminuye el tamaño de las celdas pues, como ya se dijo, la disminución en la tensión

superficial de la mezcla que provoca el aumento del nivel de silicona hace que se

introduzcan burbujas de aire más f inas, haciendo que las celdas resultantes sean más

pequeñas.

Experimento Surfactante Cantidad de Surfactante (g)

Tamaño de Celdas Promedio (mm)

A BF-2370 1.9 0.70

A' BF-2370 1.9 0.67

B BF-2370 2.1 0.63

B' BF-2370 2.1 0.6

C BF-2370 2.62 0.56

C' BF-2370 2.62 0.52

D L-620 2.62 0.67

D' L-620 2.62 0.65 E L-620 1.9 0.58

E' L-620 1.9 0.55

F L-620 2.1 0.57

F' L-620 2.1 0.53

G L-5770 2.62 0.76

G' L-5770 2.62 0.72

H L-5770 1.9 0.91

H' L-5770 1.9 0.88

I L-5770 2.1 0.79

I' L-5770 2.1 0.75

Tabla 15. Resultados de Tamaño de Celda para la Primera Experimentación

IQ-2007-II-44

48

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Surfactante (g)

Tam

año

de C

elda

Pro

med

io (m

m)

Figura 12. Primera Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs. Surfactante

4.4.1 Análisis Estadístico

En las Tablas 16 y 17 se muestran los resultados del análisis de varianza ANOVA para

las variables de respuesta elegidas para el proyecto. El dato más importante es el de

Prob>F; se considera que si el valor de Prob>F es menor a 0.05, entonces los términos

de modelo son signif icativos, rechazando así la hipótesis nula. En cuanto a la

permeabilidad (Tabla 16), se encuentra que tanto el modelo como los factores y la

interacción entre estos son signif icativos, por lo cual se concluye que el modelo está

bien planteado y que los factores elegidos afectan la respuesta.

Con respecto al tamaño de celda, el modelo es signif icativo, as í como lo son también

los factores elegidos. Sin embargo, la interacción de los factores no es signif icativa para

el modelo.

IQ-2007-II-44

49

Tabla 16. Resultados de Permeabilidad del Análisis de Varianza ANOVA para la Primera

Experimentación

Tabla 17. Resultados de Tamaño de Celda del Análisis de Varianza ANOVA para la Primera

Experimentación

En las Figuras 13 y 14 se muestran las interacciones de los dos factores elegidos sobre

las variables de respuesta. De la Figura 13 es claro que la mayor permeabilidad

promedio se obtiene con 2.1 g del surfactante L-5770. Se observa que a mayores

cantidades de surfactante la permeabilidad es menor (líneas azul y verde de la Figura

Response: Permeabilidad Promedio ANOVA for selected factorial model

Analysis of variance table [Classical sum of squares - Type II]

Sum of Mean F p-value

Source Squares df Square Value Prob > F

Model 45.29 8 5.66 111.98 < 0.0001 signif icant A-Tipo Surfactante 7.54 2 3.77 74.60 < 0.0001

B-Cantidad Surfactante 20.25 2 10.13 200.31 < 0.0001

AB 17.49 4 4.37 86.51 < 0.0001

Pure Error 0.46 9 0.051

Cor Total 45.75 17

Response: Tamano Celda Promedio ANOVA for selected factorial model




Model 0.22 8 0.028 48.11 < 0.0001 signif icant A-Tipo Surfactante 0.16 2 0.080 138.53 < 0.0001

B-Cantidad Surfactante 0.057 2 0.029 49.45 < 0.0001

AB 5.156E-03 4 1.289E-03 2.23 0.1460

Pure Error 5.200E-03 9 5.778E-04

Cor Total 0.23 17

IQ-2007-II-44

50

13), mientras que con el surfactante L-5770 se dan los mejores resultados con cualquier

cantidad que se añada a la mezcla.

En la Figura 14 se observa la interacción entre la cantidad de surfactante y el tipo de

surfactante sobre el tamaño de celda promedio. Es claro que al aumentar la cantidad de

surfactante disminuye el tamaño de celda (líneas azul y verde de la Figura 14), mientras

que con el surfactante L-5770 se obtienen los mejores tamaños de celda.

Figura 13. Respuesta de la Permeabilidad para la Interacción del Tipo y la Cantidad de

Surfactante en la Formulación de las Espumas de la Primera Experimentación.

IQ-2007-II-44

51

Figura 14. Respuesta del Tamaño de Celda para la Interacción del Tipo y la Cantidad de

Surfactante en la Formulación de las Espumas de la Primera Experimentación.

4.5 Segunda Experimentación

Una vez elegido el surfactante con el que se obtienen espumas con mayor tamaño de

celda y mejor permeabilidad, se decide cambiar la cantidad de éste en la formulación. El

surfactante elegido es entonces L-5770 y, como se observa en la Tabla 9, se varió su

cantidad en 6 niveles, desde 0.5 hasta 1.9 g.

Las espumas de los experimentos A-E se formaron adecuadamente, pero al disminuir la

cantidad de surfactante se presentaron grietas (espumas D y E). Esto se debe a que, al disminuir el surfactante, la espuma pierde estabilidad y tiende a colapsar, pues la

tensión superficial es alta y se introducen pocas burbujas al sistema, quitándole soporte

a la espuma. La espuma del experimento F colapsó debido a que la cantidad de

surfactante es insuficiente para soportar la espuma.

En la Tabla 18 se observan los resultados de permeabilidad de las espumas obtenidas,

y en la Figura 15 se observa la gráfica correspondiente con las barras de error

realizando cada experimento con su réplica. Es importante destacar que las diferencias

en los resultados de permeabilidad entre el experimento y la réplica se deben a que la

cantidad de mezcla preparada no alcanza a llenar el molde utilizado (cajón de

IQ-2007-II-44

52

380x380x200 mm), por lo cual las probetas para realizar la prueba de permeabilidad no

pudieron sacarse de la mitad de la espuma, como deber ía hacerse para asegurar

resultados confiables. Así, algunas de las espumas presentaron un asentamiento en la

parte inferior, lo cual cierra las celdas y le resta permeabilidad a la espuma.

En la Figura 15 se comprueba que, en general, al aumentar la cantidad de surfactante

disminuye la permeabilidad de la espuma, por las razones explicadas anteriormente.

Experimento Cantidad de Surfactante L-5770 (g)

Permeabilidad Promedio (ft3/min)

2-A 1.9 3.18

2-A' 1.9 1.10

2-B 1.7 1.30

2-B' 1.7 2.28

2-C 1.5 3.50

2-C’ 1.5 5.65

2-D 1.3 3.93

2-D' 1.3 2.20

2-E 1 4.50 2-E' 1 4.93

Tabla 18. Resultados de Permeabilidad para la Segunda Experimentación

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1 .4 1.5 1.6 1 .7 1.8 1.9 2


Perm

eabi

lidad

(ft3

/min

)

Figura 15. Segunda Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Surfactante

IQ-2007-II-44

53

En la Tabla 19 se muestran los resultados del tamaño de celdas promedio para cada

una de las espumas preparadas, y la gráfica correspondiente se muestra en la Figura

16, con las barras de error para el experimento y su réplica. Se observa de nuevo una

tendencia clara a disminuir el tamaño de celda a medida que se aumenta la cantidad de

surfactante pues, como se explicó anteriormente, el aumento de éste provoca la

disminución en la tensión superficial de la mezcla, haciendo que las burbujas de aire

que se introducen a la mezcla sean más f inas y, por consiguiente, las celdas resultantes

sean más f inas.



2-A 1.9 0.74

2-A' 1.9 0.67

2-B 1.7 0.89

2-B' 1.7 0.91

2-C 1.5 0.78

2-C’ 1.5 0.83

2-D 1.3 0.89 2-D' 1.3 0.81

2-E 1 0.83

2-E' 1 0.88

Tabla 19. Resultados de Tamaño de Celda para la Segunda Experimentación

IQ-2007-II-44

54

0.65

0.75

0.85

0.95

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2


Tam

año

de C

elda

(mm

)

Figura 16. Segunda Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs. Surfactante


En las Tablas 20 y 21 se muestran los resultados del análisis de varianza ANOVA para

los resultados obtenidos variando la cantidad de surfactante L-5770. Para la

permeabilidad promedio (Tabla 20) se encuentra que el modelo no es signif icativo, así

como tampoco lo es el factor elegido. Esto, sin embargo, no es consecuente con la

teoría ni con los resultados de la experimentación, así que el resultado del A NOVA

puede atribuirse al hecho de que las diferencias entre los resultados del experimento y

la réplica son altas.

En cuanto al tamaño de celda promedio, el modelo es signif icativo y, por lo tanto, el

único factor considerado también lo es, comprobando así la relación entre la cantidad

de surfactante y el tamaño de celda de la espuma.

IQ-2007-II-44

55

Response: Permeabilidad Promedio

ANOVA for selected factorial model Analysis of variance table [Classical sum of squares - Type II]



Model 14.60 4 3.65 2.79 0.1453 Not

signif icant A-Cantidad surfactante 14.60 4 3.65 2.79 0.1453

Pure Error 6.54 5 1.31

Cor Total 21.14 9

Tabla 20. Resultados de Permeabilidad del Análisis de Varianza ANOVA para la Segunda

Experimentación

Response: Tamano Celda promedio ANOVA for selected factorial model




Model 0.044 4 0.011 6.57 0.0317 signif icant A-Cantidad surfactante 0.044 4 0.011 6.57 0.0317

Pure Error 8.35E-03 5 1.670E-03

Cor Total 0.052 9

Tabla 21. Resultados de Tamaño de Celda del Análisis de Varianza ANOVA para la Segunda

Experimentación

Debido a que esta etapa de experimentación cuenta con un sólo factor, no se muestran

gráficas de interacción.

4.6 Tercera Experimentación

En la Tabla 22 se muestran los resultados de permeabilidad para las espumas

realizadas en esta etapa de experimentación, en la que las variables fueron la cantidad

de surfactante y la cantidad de antiespumante. Se continúa con el surfactante L-5770, y

IQ-2007-II-44

56

se introduce el agente antiespumante INDOL NDW. En un comienzo se planteó hacer

experimentos también con 1.7 g de surfactante, pero por cuestiones de t iempo no se

alcanzaron a hacer estos experimentos, por lo cual el análisis se basa en los resultados

obtenidos con 1.9 y 2.1 g de surfactante. Si bien en la Figura 15 se observa que la

mayor permeabilidad se alcanza utilizando cantidades de surfactante inferiores a 1.5 g,

el uso del agente antiespumante con estas cantidades de surfactante hace que la

espuma colapse, por lo cual se descartan los experimentos con cantidades inferiores a

1.5 g de silicona surfactante L-5770.


Cantidad de Antiespumante (g)

Permeabilidad Promedio (ft3/min)

3-A 1.9 2.25 2.8

3-A' 1.9 2.25 3.4

3-B 1.9 2.37 3.3

3-B' 1.9 2.37 3.5

3-C 1.9 2.5 3.3

3-C' 1.9 2.5 3.8

3-D 2.1 2.5 3.0

3-D' 2.1 2.5 3.3

3-E 2.1 2.37 2.4 3-E' 2.1 2.37 2.5

3-F 2.1 2.25 1.7

3-F' 2.1 2.25 2.0

Tabla 22. Resultados de Permeabilidad para la Tercera Experimentación

En la Figura 17 se observan los resultados con las barras de error para las dos réplicas

hechas.

IQ-2007-II-44

57

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5Antiespumante (g)

Perm

eabi

lidad

Pro

med

io (f

t3 /min

)

Figura 17. Tercera Experimentación. Permeabilidad Promedio Vs. Antiespumante

Como se observa en la Tabla 22 y en la Figura 17, al aumentar la cantidad de

antiespumante en la formulación, aumenta también la permeabilidad promedio de la

espuma, que está relacionada directamente con el porcentaje de celdas abiertas que

tiene la espuma. También se observa que el aumento en la cantidad de surfactante

ocasiona una disminución en la permeabilidad de la espuma.

La Tabla 23 muestra los resultados de la medición del tamaño de celdas para las

diferentes espumas realizadas, mientras que en la Figura 18 se muestra la gráfica

correspondiente con las barras de error para las dos réplicas.

IQ-2007-II-44

58


Cantidad de Antiespumante (g)


3-A 1.9 2.25 0.87

3-A' 1.9 2.25 0.85

3-B 1.9 2.37 0.84

3-B' 1.9 2.37 0.92

3-C 1.9 2.5 1.98

3-C' 1.9 2.5 1.33

3-D 2.1 2.5 1.00

3-D' 2.1 2.5 0.94

3-E 2.1 2.37 0.91

3-E' 2.1 2.37 0.89 3-F 2.1 2.25 0.85

3-F' 2.1 2.25 0.84

Tabla 23. Resultados de Tamaño de Celda para la Tercera Experimentación

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5

Antiespumante (g)

Tam

año

Cel

da P

rom

edio

(mm

)

Figura 18. Tercera Experimentación. Tamaño de Celda Promedio Vs. Antiespumante

La Tabla 23 y la Figura 18 muestran que al aumentar la cantidad de agente

antiespumante, el tamaño de celda promedio aumenta. Esto sucede porque el agente

antiespumante aumenta la tensión superficial de la mezcla, permitiendo que ingresen

menos burbujas al sistema y que, por consiguiente, las celdas tengan mayor tamaño.

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59

Se observa también que a mayor cantidad de surfactante el tamaño de celdas es

menor, por las razones explicadas en la etapa anter ior de experimentación.


En la Tabla 24 se presentan los resultados del ANOVA tomando como respuesta la

permeabilidad promedio. En este caso, tanto los factores A (Cantidad de Surfactante) y

B (Cantidad de Antiespumante) son signif icativos, mientras que la interacción entre

ambos factores AB no resulta signif icativa. El modelo también es signif icativo, por lo

cual se concluye que el modelo está bien planteado y que los factores elegidos afectan

la permeabilidad promedio de las espumas.

Para el tamaño de celda promedio, el modelo resulta ser signif icativo, así como también

la cantidad de antiespumante. La cantidad de surfactante no muestra ser signif icativa,

pero de acuerdo con la teor ía y con los resultados encontrados en las anteriores etapas

de experimentación esto es incorrecto, y el resultado puede deberse a que sólo se pudo

hacer el ensayo con dos cantidades de surfactante. Lo correcto para aumentar la

eficacia del modelo en este aspecto es experimentar con más niveles de cantidad de

surfactante.

Response: Permeabilidad Promedio ANOVA for selected factorial model


Sum of Mean F p-value Source Squares df Square Value Prob > F

Model 4.16 5 0.83 11.88 0.0046 signif icant

A-Cantidad surfactante 2.25 1 2.25 32.19 0.0013

B-Cantidad Antiespumante 1.53 2 0.77 10.94 0.0100

AB 0.37 2 0.19 2.65 0.1493

Pure Error 0.42 6 0.070

Cor Total 4.58 11 Tabla 24. Resultados de Permeabilidad del Análisis de Varianza ANOVA para la Tercera

Experimentación

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60

Response: Tamaño Celda Promedio ANOVA for selected factorial model




Model 0.99 5 0.20 5.52 0.0301 signif icant

A-Cantidad surfactante 0.18 1 0.18 4.89 0.0691

B-Cantidad Antiespumante 0.52 2 0.26 7.26 0.0250

AB 0.29 2 0.15 4.11 0.0751

Pure Error 0.22 6 0.036

Cor Total 1.21 11 Tabla 25. Resultados de Tamaño de Celda del Análisis de Varianza ANOVA para la Tercera

Experimentación

Las gráficas para las interacciones de los factores sobre las variables de respuesta se

muestran en las Figuras 19 y 20. En la Figura 19 se observa la interacción de la

cantidad de antiespumante y la cantidad de surfactante sobre la permeabilidad

promedio de las espumas, encontrando que a medida que aumenta la cantidad de agente antiespumante aumenta también la permeabilidad promedio. La mejor

permeabilidad se obtiene con bajas cantidades de surfactante.

Para el tamaño de celda la situación es igual; al aumentar la cantidad de agente

antiespumante aumenta el tamaño de las celdas. Sin embargo, la diferencia en la

respuesta en cuanto a la cantidad de surfactante no es tan notoria para bajos niveles de

antiespumante, pues el tamaño de celda no var ía signif icativamente.

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61

Figura 19. Respuesta de la Permeabilidad para la Interacción de la Cantidad de Surfactante y la

Cantidad de Antiespumante en la Formulación de las Espumas de la Tercera Experimentación.

Figura 20. Respuesta del Tamaño de Celda para la Interacción de la Cantidad de Surfactante y

la Cantidad de Antiespumante en la Formulación de las Espumas de la Tercera Experimentación.

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62

5 CONCLUSIONES

Durante el desarrollo del proyecto se comprobó que el tipo de silicona surfactante que

se use en la formulación de la espuma afecta las propiedades f inales de la misma, pues

un surfactante que tenga un alto contenido de silicona provee menor tensión superficial

en la mezcla, reduciendo la energía necesaria para formar una burbuja y, por lo tanto,

haciendo que el número de burbujas de aire que se introducen a la mezcla sea mayor,

las burbujas sean más pequeñas y las celdas resultantes sean f inas. De acuerdo con

los objetivos del proyecto, lo importante es entonces utilizar un surfactante cuyo

contenido de silicona no sea alto, para que la tensión superficial no sea baja, logrando

una menor cantidad de burbujas en la mezcla y, por consiguiente unas celdas grandes y

abiertas. En cuanto a la cantidad del surfactante que se utiliza, es importante considerar

que a menores cantidades de silicona surfactante, la permeabilidad y el tamaño de las

celdas aumenta debido al efecto que tiene el nivel de silicona sobre la tensión

superficial de la mezcla.

Por otro lado, el uso de un agente antiespumante en la formulación hace que las celdas

aumenten de tamaño, pero el efecto en la permeabilidad promedio no es signif icativo. A

mayor cantidad de antiespumante aumenta la permeabilidad y el tamaño de las celdas,

porque hay un aumento en la tensión superficial de la mezcla.

Según lo anterior, se concluye que para obtener espumas f lexibles de poliuretano con

celda grande y abierta es necesario el uso de una baja cantidad de una silicona

surfactante de bajo contenido de silicona, junto con una cantidad alta de agente

antiespumante, teniendo siempre presentes las proporciones de cada uno de los

componentes en la formulación, con el f in de evitar que la espuma colapse o se agriete.

Para mejorar la permeabilidad de la espuma, se utiliza una solución concentrada de

soda cáustica, teniendo especial cuidado de remover completamente los residuos de

ésta luego de la inmersión.

Para proyectos futuros se recomienda evaluar los efectos del cambio en la cantidad del

catalizador de estaño sobre la permeabilidad promedio y el tamaño de las celdas de la

espuma, ya que se ha demostrado que el nivel de estaño influye de forma determinante

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sobre estas propiedades; se recomienda formular la espuma sin el agente

antiespumante, evitando así los efectos competit ivos del agente antiespumante y del

surfactante sobre la tensión superficial de la mezcla.

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64

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