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ELABORACIÓN DE CERÁMICOS EN VERDE A PARTIR DE EMULSIONES-

SUSPENSIONES DE POLVO DE ALÚMINA

Catalina Méndez Retiz, Asesor: Óscar Álvarez, Co-asesor: Daniel Restrepo Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería Química

RESUMEN El objetivo de este estudio fue establecer la influencia de las condiciones de formulación de un cerámico en verde en sus propiedades microscópicas y macroscópicas. Se realizaron muestras de cerámicos en verde de alúmina a partir de un proceso de suspensión-emulsión en 2 etapas variando la concentración de polvo cerámico y la relación de agua/aceite. Las propiedades que se estudiaron fueron el tamaño de gota, TSI, dureza, compresibilidad y adhesividad. En los resultados hallados se encontró que existe una relación inversa entre la cantidad de polvo cerámico y la fracción de fase dispersa en el tamaño de gota y la estabilidad de la emulsión. Por otro lado, para los resultados de TPA se observó que el factor principal para determinar la dureza es la cantidad de dispersante en el sistema. Finalmente, se evidenció la relación existente entre la cantidad de aceite y la compresibilidad de un cerámico en verde. Palabras Clave: Emulsión, suspensión, Alúmina, tamaño de gota, estabilidad. 1. INTRODUCCIÓN

Los cerámicos son compuestos cristalinos o sólidos

amorfos que tienen enlaces únicamente iónicos y/o covalentes entre elementos metálicos y no metálicos. Algunos ejemplos de estos compuestos son sílica, alúmina, magnesia y circonia [1]. Estos compuestos cerámicos se caracterizan por tener propiedades como baja densidad, alta resistencia térmica, resistencia a la corrosión y estabilidad química [2].

Entre sus aplicaciones está la fabricación de membranas permeables, aislantes térmicos, filtros de gases a altas temperaturas y soportes catalíticos [3]. En especial, la alúmina y circonia, se caracterizan por ser bajamente reactivos, lo cual expande sus aplicaciones al campo de biomateriales en la superficie de prótesis de articulaciones [4].

Existen varios métodos para la elaboración de cerámicos, entre ellos, método de réplica, gelcasting, espumado directo y método a partir de suspensión emulsión. El método que se usó en este estudio fue a partir de una suspensión de alúmina en agua desionizada y doble emulsificación con aceite mineral, creando una emulsión O/W.

La calidad del cerámico depende de las condiciones de elaboración tanto mecánicas y morfológicas como propiedades químicas de los compuestos [5]. Debido a la necesidad de evaluar las propiedades de los cerámicos por sus amplias aplicaciones en la industria, se plantea como alternativa evaluar las propiedades de los cerámicos en verde, es decir, antes del proceso de sinterización. Lo anterior porque es uno de los pasos más importantes del proceso, donde se lleva a cabo la consolidación del cuerpo [6]. Varios estudios afirman que los parámetros que más influyen en el comportamiento de los cerámicos en verde son el tipo de polvo, naturaleza del dispersante, tamaño de partícula y distribución del polvo [5,7]. [5] [7]

Ahora, para el desarrollo de este estudio se planteó la preparación de cerámicos en verde a partir de una emulsión-suspensión. Una emulsión es una dispersión coloidal de una fase dispersa en una fase continua [8]. Las emulsiones son, usualmente, clasificadas dependiendo del

tamaño de gota de la fase dispersa. Las macroemulsiones tienen un diámetro en el rango entre 0.1 𝜇𝑚 𝑦 50 𝜇𝑚 . Estas emulsiones son termodinámicamente inestables y se separan sin la presencia de un estabilizador [9]. Para ayudar a la estabilidad de la emulsión se plantea el uso de emulsificantes, en este caso un surfactante, que facilita la formación de la emulsión y ayuda a prevenir su separación [8]. Así, los surfactantes tienen una importancia en la estabilidad y formación de la emulsión debido a que disminuyen la tensión interfacial [9], aumentan la elasticidad superficial y/o aumentan la viscosidad de la superficie [8]. Para determinar la eficiencia del surfactante se analiza el valor del balance hidrofóbico hidrofílico (HLB), una medida de un porcentaje relativo entre los grupos hidrofóbicos e hidrofílicos de las moléculas que componen el surfactante [10].

Ahora bien, las gotas formadas en la emulsión provienen de la deformación de una masa de líquido en un filamento muy inestable que se separa en gotas [8]. La inestabilidad es causada por la tensión interfacial que actúa cuando la superficie final del sistema es menor que la inicial [11].En primer lugar, la interface entre los 2 compuestos (fase dispersa y fase olesosa) es deformada hasta el punto en que se forman las gotas. Estas son usualmente muy grandes y se vuelven a romper en más gotas [10] de manera que, esta disrupción es un factor crítico para la emulsificación.

La formación de dichas gotas se puede llevar a cabo a partir de fuerzas viscosas o fuerzas inerciales. Las fuerzas viscosas generan esfuerzos tangenciales y normales en su superficie , mientras que las inerciales se basan en la diferencia de presión [10]. Debido a que la emulsión planteada en esta metodología es a partir de un sistema turbulento, la formación de gotas será más influenciada por fuerzas inerciales que viscosas.

Entre los factores que más influyen en el tamaño de gota y su dispersión están la velocidad de agitación, la cantidad de aceite [10,12,13] al igual que la cantidad de polvo [3]. La intensidad de agitación es un factor que está asociado a la cantidad de energía disipada por unidad de volumen por unidad de tiempo [10], factor que influye en la formación y distribución de las gotas. (Becher,

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Encyclopedia of emulsion technology, 1983) [12] (Dapcevic, Dokic, Krstonisic, & Hadnadev, 2013)

Otro de los elementos más importantes en la formación de una emulsión es el surfactante. Teniendo en cuenta que la emulsión que se formará es O/W, la literatura sugiere usar un surfactante cuyo HLB se encuentre entre 8 y 18 [10].

Predecir y estudiar el comportamiento de una emulsión suspensión puede ser algo complejo debido a las interacciones que existen. Los dos factores que más afectan la estabilidad de la emulsión son la migración de partículas (cremado y sedimentación) y cambio en el tamaño de partícula (coalescencia y floculación) [14]. El efecto de cremado ocurre cuando se separa la emulsión en dos emulsiones, una con mayor contenido de fase dispersa y otra con menor en comparación con la emulsión original [10]. Debido a un cambio en la densidad de las emulsiones, se observa una migración a la parte superior del sistema por parte de una de éstas [15]. Por otro lado, la coalescencia es el proceso en que dos gotas que están en contacto se unen a tal punto que forman una sola gota [10].

Para este estudio se trabajó con el cerámico alúmina (𝐴𝑙!𝑂!), debido a su amplio uso en la industria y su estabilidad química, la cual se debe al fuerte enlace generado por la alta polarización de los cationes de aluminio en el enlace Al-O [4].

Se analizó la influencia de las condiciones de formulación en las características microscópicas y macroscópicas de un cerámico en verde. Para esto, se evaluaron las propiedades de tamaño de gota, índice de estabilidad (TSI) en la emulsión-suspensión. De igual manera, se evaluaron propiedades de textura como dureza, compresibilidad y adhesividad de los cerámicos en verde variando la composición del cerámico y de aceite. Así, se realizaron nueve muestras con réplica en las cuales se varió el porcentaje de polvo con respecto al agua y la relación de fase continua y dispersa. 2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Materiales. El polvo cerámico usado fue alúmina

(𝐴𝑙!𝑂!) de Almatis Premium Alumina (CT3000LSSG-1451539027) con un tamaño promedio de partícula de 250 𝜇𝑚 y como agente dispersante poliacrilato de sodio de uso industrial. Para la preparación de las emulsiones de aceite en agua (O/W) se utilizó aceite mineral de uso industrial, tomando como surfactante Tween 20 (polisorbato 20), de Croda con un HLB de 16.7 y agua desionizada.

2.2. Métodos. 2.2.1. Preparación de la suspensión de alúmina en

agua. El proceso se llevó a cabo con un homogeneizador Dispermat LC, V.A Getzmann GmbH, con impeler dentado de 30 mm a una velocidad de 2500 rpm. El polvo de alúmina se agregó lentamente al agua desionizada en una relación de 20%, 30% y 40% p/p de polvo con respecto al agua. Una vez agregado el polvo cerámico, se incorporó el dispersante. La cantidad de polímero se estandarizó para todas las muestras como la relación del 1% p/p con respecto al polvo de la muestra con mayor cantidad de alúmina, esto con el fin de asegurar que el

polímero cumpliera con su función en todas las muestras. Una vez agregado el dispersante, se dejó homogenizar la suspensión por un tiempo de 20 minutos simulando vacío parcial, a una velocidad constante de 2500 rpm.

2.2.2. Proceso de emulsificación. La emulsificación realizada se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa se incorporó la fase oleosa al sistema con la ayuda de una bomba peristáltica a un flujo de 26 mL/min (17 rpm), y una velocidad de homogenización de 2500 rpm. El porcentaje de aceite incorporado en esta etapa fue de 57% del aceite total del sistema. Paso seguido se agregó el surfactante, Tween 20 en una proporción de 4% p/p con respecto al aceite total del sistema. Se usó este porcentaje debido a que se ha establecido que es una proporción apta para este tipo de emulsiones [12].Se dejó homogeneizar la emulsión por un tiempo de 10 minutos continuando el vacío parcial.

Para la segunda etapa, se agregó el 43% de aceite restante y se dejó 10 minutos homogeneizando para obtener la emulsión-suspensión.

2.3.2. Cerámico en verde. La emulsión fue colocada en una geometría de base 3cm x 3cm con una altura de 2.5 cm. El proceso de secado se llevó a cabo en una cámara de estabilidad RGX-250E con una humedad relativa de 47% y temperatura de 25!𝐶 por un tiempo de 4 horas. Luego, se retiraron las muestras y se dejaron a temperatura ambiente durante 2 días con el fin de remover los excesos de agua y aceite [16].

2.3. Medidas experimentales. El tamaño de gota de la emulsión-suspensión se observó con la ayuda del Microscopio Digital BA310, con objetivo de 40x.

La estabilidad de la emulsión-suspensión se evaluó a partir de mediciones en el Analizador Óptico Para Estudio de Estabilidad de Dispersiones Líquidas Turbiscan a una temperatura constante de 250C. El Turbiscan mide la estabilidad de soluciones concentradas a partir de una combinación de sensores de transmisión y retro-dispersión que detectan la variación física heterogénea a lo largo de la altura de la muestra, lo cual permite determinar factores como sedimentación, aglomeración o agregación [17].

La propiedad evaluada fue el índice de estabilidad del Turbiscan (TSI). Este índice compara las variaciones en las señales de cada escaneado de la manera

𝑇𝑆𝐼 =|𝑠𝑐𝑎𝑛! ℎ − 𝑠𝑐𝑎𝑛!!!|!

𝐻 (1)

donde h es la posición, H es la altura total de la

muestra, y scan hace referencia a la luz retro-dispersada o transmitida [18]. La retro-dispersión es un reflejo de las ondas hacia la dirección desde donde se originaron, mientras que la luz transmitida es cuando pasa por el material sin ser absorbida o reflejada [19].

Se realizaron medidas durante 30 minutos con toma de muestra cada 5 minutos, teniendo en cuenta que este tiempo es el tiempo crítico para determinar factores de estabilidad asociados a la fase oleosa [16].

Una vez obtenidos los cerámicos en verde, se realizaron medidas en el Texturómetro TA de Stable Micro Systems, en el cual se evaluó la dureza, compresividad y

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adhesividad de los cerámicos en verde. Las pruebas se hicieron con una geometría cilíndrica de diámetro de 2 mm a una velocidad de 2 mm/s en una distancia de 5mm.

2.4. Modelo estadístico. Para el análisis de resultados

se plantea un modelo factorial 3!. Los factores evaluados fueron cantidad de polvo y relación de agua/aceite, donde cada uno cuenta con 3 niveles. El modelo se evaluó con una significancia de 0.05.

En la tabla 1 se muestran las diferentes muestras preparadas donde se varío el porcentaje de polvo cerámico de 25%, 35% y 45% p/p1 con respecto al agua, con la notación -1,0,1 respectivamente y la cantidad de aceite en el sistema 60%, 70% y 80% p/p1 con respecto al agua con notación -1,0,1 respectivamente.

Tabla1.Resumendecondicionesdeformulaciónpara

cadaunadelasmuestrasdeldiseñofactorial.

#Muestra % Agua % Polvo cerámico1

1 -1 -1 2 -1 0 3 -1 1 4 0 -1 5 0 0 6 0 1 7 1 -1 8 1 0 9 1 1

1 %p/p con respecto al agua Se planteó este diseño con el fin de evaluar la relación entre los 2 factores con una significancia de 0.05. 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS 3.1. Resultados Estadísticos 3.1.1. Tamaño de gota. A partir de los resultados estadísticos se puede afirmar con un 95% de confianza que tanto la fracción de aceite y la fracción de alúmina, como su interacción tienen una influencia significativa en el tamaño de gota. El 97.81% de los datos obtenidos se ajusta a este modelo. En el Anexo 1 se encuentra el resumen de los resultados obtenidos del modelo estadístico, junto al análisis de varianza. La gráfica de efectos principales, incluida en Anexo 1, muestra la relación inversa entre el tamaño de gota y el porcentaje de alúmina y porcentaje de aceite; más adelante se entrará en detalle sobre sus causas.

3.1.2. Estabilidad (TSI). Al igual que para el tamaño de gota, tanto la fracción de aceite como la de alúmina tienen una influencia en la estabilidad, con un 95% de confianza. El 99.52% de los datos obtenidos se ajusta a este modelo. En el Anexo 2 se encuentra el resumen de los resultados obtenidos del modelo estadístico, junto al análisis de varianza. La gráfica de efectos principales, incluida en Anexo 2, muestra la relación directa entre la

estabilidad y el porcentaje de alúmina y porcentaje de aceite; en la sección de resultados se profundiza sobre sus causas.

3.1.3. Análisis de textura. Para el Análisis del Perfil

de Textura (TPA, por sus siglas en inglés) se evaluaron las propiedades de dureza, adhesividad y compresividad. Para las propiedades de dureza y adhesividad, se encontró que ninguno de los factores es significativo, mientras que para la compresibilidad la fracción de aceite es un factor significativamente influyente. Sin embargo, para la regresión de dureza, compresibilidad y adhesividad el valor de 𝑅! es muy pequeño (34.48%, 57.62%, 42.25%, respectivamente), lo cual quiere decir que el diseño escogido no modela de manera apropiada la influencia de los factores. En los Anexos 3-5 se presentan los análisis de varianza. En las gráficas de efectos principales para la compresibilidad, se observa que la variable que más influencia tiene es la fracción de aceite. 3.2. Resultados experimentales. 3.2 Tamaño de gota

En la Figura 1 se observan los resultados obtenidos, donde el valor presentado es el promedio obtenido por una muestra de 100 mediciones, los resultados fueron agrupados según la cantidad de aceite presente en la muestra.

Figura 1. Mediciones del tamaño de gota para todas

muestras variando fracción de aceite y de polvo de alúmina

Como se puede evidenciar existe influencia de la cantidad de fase dispersa en el tamaño de gota, al igual que sucede con la cantidad de polvo alúmina. Esto ocurre debido a que entre más concentrada sea la solución las moléculas de la fase dispersa y la fase continua estarán en mayor contacto, lo que hará que se fragmenten en mayor proporción. Para la formación de gotas se debe dar una deformación en el sistema asociado a una presión proporcional a 2𝛾 𝑟!, donde 𝛾 es la tensión superficial entre las partículas y r es la distancia [8]. De esta manera, si la distancia entre las partículas es más pequeña, y el sistema es turbulento, se tendrá un menor tamaño de gota [8] [12].

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De igual manera, cabe resaltar el efecto que tiene el surfactante en la distribución y el tamaño de gota, debido a que ayuda a estabilizar el sistema y a su vez en las interacciones entre partículas [13]. Sin embargo, hay que tener presente la concentración micelar crítica (CMC), el punto en el cual se muestra un cambio abrupto en las propiedades de las moléculas. A esta concentración, las moléculas se agregan para formar moléculas más grandes, lo cual lleva a un aumento en el tamaño de gota al igual que una influencia en la estabilidad del sistema [20].

Por otro lado, se observa que la cantidad de polvo también influye en el tamaño de gota. Esto, debido a que existe una mayor restricción a la movilidad, lo cual está asociado a un aumento en la concentración de gota, y a su vez en el tamaño de la gota [3].

Ahora bien, en cuanto a la formación y distribución del tamaño de gota, se tuvo presente la influencia del polímero utilizado como dispersante y el surfactante en el sistema, permitiendo que la suspensión de alúmina en agua y la emulsión con aceite se llevara a cabo de manera óptima.

Adicional a estas muestras se realizaron 3 muestras más para observar la influencia del dispersante y el polvo en el sistema. En la Tabla 2 se resumen las condiciones de cada muestra, y en la Figura 2 se muestra el resultado de microscopia óptica para las muestras con variaciones en la formulación planteada inicialmente.

Tabla 2. Resumen condiciones muestras blanco

Dispersante Polvo alúmina + - - - - +

Figura 2. Microscopía óptica para emulsión-suspensión con

diferentes concentraciones. a) Emulsión con dispersante y sin polvo cerámico. b) Emulsión sin polvo cerámico y sin

dispersante. c) Emulsión suspensión con polvo cerámico, y dispersante. d) Emulsión suspensión con polvo cerámico y sin

dispersante.

Se puede evidenciar que tanto el polvo cerámico como el agente dispersante usado tienen un efecto sobre el sistema. El dispersante tiene la función de darle estabilidad al sistema tal que se pueda moldear y retenga la forma deseada en un cerámico en verde, y que permanezca en la

forma al momento de sinterización [21]. Así, es clara la diferencia entre la Figura 2.d y la Figura 2.c, que a pesar de tener la misma composición de cerámico y de aceite, en la ausencia de dispersante las gotas formadas tienen una distribución no uniforme y desordenada, en comparación con la otra muestra. Por otro lado, se evidencia claramente que el polvo de alúmina y el dispersante tienen un efecto en el sistema emulsión suspensión, tal como se compara en la Figura 2a. y 2d.

3.3. Estabilidad del sistema emulsión-suspensión.

Entre menor movimiento de partículas haya menor será el valor de TSI, lo que significa una mayor estabilidad en el sistema [22]. En la Figura 3 están reportados los valores de TSI para cada una de las muestras para un tiempo de 30 minutos.

Figura 3. Resultados de TSI obtenidos para la emulsión-suspensión, variando la fracción de aceite y fracción de

alúmina

A pesar de que el tamaño de gota tiene una relación directa con la estabilidad de la emulsión, el índice TSI mide fenómenos como cremado, coalescencia y sedimentación. Para que ocurran esto se debe presentar el fenómeno de agregación [23]. Para comparar mejor los resultados de los valores de TSI reportados, en la Figura 4 se presentan los resultados de retro-dispersión y transmisión para las muestras con menor y mayor valor de TSI, respectivamente. El eje x representa la altura la muestra, de izquierda a derecha corresponde a la orientación de abajo a arriba. Los cambios que se observan en la parte superior de la muestra hacen referencia a la transición de la superficie emulsión/aire.

Se puede observar que el resultado de retro-dispersión para la muestra con menor proporción de aceite y de alúmina es constante, lo cual quiere decir que las gotas están distribuidas uniformemente en el sistema y no ocurre un cambio de fase. Mientras que para la muestra con mayor cantidad de aceite y alúmina el TSI es un poco más alto y el perfil de retro-dispersión tiene ciertas variaciones que se pueden deber a una posible aglomeración causada por la existencia de fuerzas de van der Waals entre las partículas, las cuales son fuerzas de largo alcance [6].

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Figura 4. Resultados de retro-dispersión y transmisión para

a)una muestra con 60% aceite, 25% alúmina y b) una muestra de 80% aceite y 45% alúmina

A pesar de que el valor de TSI de la muestra con mayor cantidad de aceite y alúmina sea mayor que las otra no representa un valor de TSI de una emulsión inestable. Esto se puede apreciar mejor en las Figura 5 y 6 donde se presentan los perfiles para diferentes formulaciones.

Figura 5. Perfiles de TSI de los valores obtenidos en un

periodo de tiempo de 27 minutos con muestras cada 5 minutos. Los valores presentados son para muestras con

fracción de aceite, pero variación en la fracción de polvo de alúmina.

La Figura 5 permite evaluar mejor el comportamiento de las muestras. La muestra con menor porcentaje de alúmina es la más estable, lo cual se evidencia claramente al tener cambios muy pequeños en el tiempo. Por otro lado, se observa que la pendiente de la muestra con mayor fracción de alúmina es mayor que las otras para cada medición. A pesar de que las muestras presentan valores de TSI estables, a medida que se aumenta la cantidad de aceite y la cantidad de polvo cerámico el TSI aumenta. Esto se debe a que las partículas están más unidas, lo que favorece un ambiente en el que se formen aglomeraciones

en pequeña escala, y afecten así la estabilidad global del sistema.

Ahora, en la Figura 6 se muestran los resultados de estabilidad para las muestras con variaciones presentadas en la Tabla 2 de la sección anterior.

Figura 6. Perfiles de TSI de los valores obtenidos en un

periodo de tiempo de 27 minutos con muestras cada 5 minutos. Los valores presentados son para las muestras con

variaciones con respecto a la formulación original.

Para las muestras sin dispersante se evidencia que el tamaño de gota y la distribución es un factor significativo en la inestabilidad de la solución. En los Anexos 6-8 están los resultados de retro-dispersión y transmisión, para estas muestras, donde se evidencia que se empiezan a separar las fases para la muestra sin dispersante y sin alúmina. Esto es debido, principalmente, a que el Tween 20 no es el mejor surfactante para dicha emulsión de O/W, haciendo que sea muy inestable (TSI=9,12). Por otro lado, para la muestra sin dispersante y con alúmina, a pesar de que no se evidencia una separación de las fases la emulsión es muy inestable (TSI= 4). En la ausencia del poliacrilato no se forma la suspensión deseada, haciendo que el polvo cerámico se movilice hacia la parte central de la muestra. Finalmente, se muestra la influencia clara de la acción del dispersante con un TSI de 0,34.

3.4. Análisis de textura.

3.4.1. Dureza. Los resultados obtenidos del valor de la dureza para cada una de las muestras se encuentran en la Figura 7.

Figura 7. Resultados obtenidos de dureza a partir del

TPA para cada una de las muestras variando fracción de aceite y alúmina.

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Teniendo en cuenta que, la dureza es la fuerza requerida para alcanzar cierta deformación [24], no se observa un efecto debido a la influencia del porcentaje de dispersante en la suspensión. La función del polímero es mantener la estructura del cerámico en verde y evitar que se pierda su forma [21]. De manera que, la tensión superficial en las muestras está sujeta a la cantidad de polímero usado, ya que una vez removidos los excesos de líquidos en tiempo de secado del cerámico en verde, la cantidad de polímero es el que provee los puentes entre partículas [21]. De igual manera cuando se absorbe el poliacrilato en la superficie de la alúmina, se pueden inducir fuerzas repulsivas entre las partículas lo cual afecta la reología de la suspensión, que a su vez afecta el cerámico en verde [25].

Con el fin de comprobar lo anterior, se realizaron 2 pruebas adicionales donde se varió la cantidad de dispersante. Para esto se tomó como referencia la muestra con mayor cantidad de polvo cerámico y se agregó el 1.5% y 2%, respectivamente, a diferencia del resto de muestras donde se estandarizó con el 1% con respecto a la mayor cantidad de alúmina para todas las muestras. La Tabla 3 muestra el promedio de los resultados con 1% y los resultados con 2% y 3%.

Tabla3.Resultadosobtenidosdedurezaenel

cerámicoenverdevariandolaconcentracióndedispersanteenlasuspensión.

Fracción de poliacrilato

(%)

Dureza (𝜇𝑁 ∗ 10!)

1 0.71 1.5 0.87 2 5.11

Cabe resaltar que para la muestra que tiene 2% una

parte de la fase dispersa se separó debido a que cuando se adiciona el dispersante por encima del nivel de la concentración óptima, éste no se absorbe en el sistema y funciona como un reductor en la repulsión electrostática de las gotas, haciendo que se agrupen y se formen aglomerados [21].

3.4.2. Compresibilidad. En la Figura 8 se muestran los resultados obtenidos sobre la compresibilidad. Varios estudios afirman que existe una relación directa entre el aumento de la viscosidad y la compresibilidad [24], teniendo en cuenta que la compresibilidad es la cantidad que simula la fuerza por unidad de tiempo requerida para deformar la muestra.

Figura 8. Resultados de compresibilidad a partir del TPA

para cada una de las muestras variando fracción de aceite y alúmina.

Tal como se evidencia en la Figura 8, entre mayor cantidad de aceite, mayor será la fuerza requerida para deformar la superficie de la muestra. Esto, es consistente con lo mencionado anteriormente sobre la relación de la viscosidad con la compresibilidad. Si se tienen en cuenta los resultados del tamaño de gota, se observa que existe una relación entre el tamaño de gota y la compresibilidad. Esto se debe a que una disminución en el tamaño de gota lleva a un aumento en la viscosidad aparente, y ésta a su vez, aumente la compresibilidad [26]. Esto se debe a que las gotas están más unidas, gracias a una fuerza entre moléculas, de manera que la fuerza requerida para deformar la muestra debe ser mayor. De igual manera, la cantidad de gotas aumenta, haciendo que se restrinja la movilidad en la muestra.

3.4.3. Adhesividad. Finalmente, la adhesividad es la cantidad que simula el trabajo requerido para superar las fuerzas de atracción entre la superficie de la sonda que entra en contacto con la muestra [27]. La geometría y tamaño de la sonda son factores claves para la determinación de la adhesividad. La Figura 9 resume los datos obtenidos para adhesividad variando la cantidad de aceite y alúmina

Figura 9. Resultados obtenidos de adhesividad a partir

del TPA para cada una de las muestras variando fracción de aceite y alúmina

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Debido a que la adhesividad se mide con el área perpendicular de contacto, el tamaño de la sonda es un factor clave de medición. De manera que la sonda usada no midió de manera apropiada la muestra porque era muy delgada haciendo que no fuera clara la influencia de los factores sobre esta propiedad.

Según estudios [27], se esperaría que con un incremento en el polvo cerámico se aumentaran las propiedades de dureza, compresibilidad y adhesividad. Esta relación no es clara, debido a que para la dureza se estandarizó la cantidad de dispersante, el cual es uno de los factores más influyentes. Sin embargo, la dureza está relacionada con el tamaño de gota, que a su vez influye en la viscosidad del sistema y así en la compresibilidad.

Finalmente, un parámetro clave a considerar en este proceso es la velocidad de deformación (velocidad de la sonda) debido a que esto tiene una influencia significativa en los valores de las variables estudiadas [27].

4. CONCLUSIONES

Se pudo establecer de manera óptima la influencia de la formulación en el tamaño de gota y en la estabilidad del sistema emulsión-suspensión. Para el tamaño de gota, se evidenció que tanto la fracción de aceite y de alúmina como su interacción influyen de manera inversa en el tamaño de gota. El menor tamaño de gota obtenido fue de 1.17𝜇𝑚 con un porcentaje de polvo de alúmina de 45% p/p con respecto al agua y 80% de aceite v/v con respecto al agua.

Para la estabilidad del sistema se encontró que los factores tienen una influencia directa. La muestra más estable tuvo un valor de 0.34, la cual corresponde a una muestra sin polvo de alúmina con dispersante. Así, se evidencia la influencia del dispersante en la estabilidad, y la influencia del polvo en la inestabilidad del sistema.

Se observó que uno de los factores que más influye en la dureza es la cantidad de dispersante en el sistema. Mientras que para compresibilidad se estableció una relación entre el tamaño de gota, que a su vez influencia la viscosidad aparente de una emulsión, la cual es factor clave en la compresibilidad de un sistema. En cuanto al estudio de adhesividad no se encontró una influencia de la formulación o una tendencia debido a que la sonda tenía un diámetro muy pequeño, lo cual afectaba la medición.

En trabajo futuro se propone trabajar con diferentes polvos cerámicos como el Circonio, al igual que establecer la influencia de otras condiciones de formulación en el sistema. Finalmente, se enfatiza en la importancia de trabajar con una sonda de mayor área de contacto para estudiar la propiedad de adhesividad de manera apropiada.

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«DemulsifierperfomanceanddehydrationmechanismsinColombianheavyCrudeoilemulsions,»Energy&fuels,Bogota,2017.

[24]D.Jones,D.WoolfsonyJ.Djokic,«TextureProfieAnalysisofBioadhesivePolymericSemisolids:MechanicalCharacterizationandInvestigationofInteractionsBetweenFormulationComponents,»JohnWiley&Sons,1996.

[25]K.Tong,X.Song,S.Sun,Y.XuyJ.Yu,«TherheologicalbehavioranstabilityofMg(OH)2aqueoussuspensionsinthepresenceofsodiumpolyacrylate,»Elsevier,Shanghai,2013.

[26]R.ChamamaiyD.J.McClements,«Dependenceofcreamingandrheologyofmonodisperseoil-in-wateremulsionsondropletsizeandconcentration,»Elsevier,Amherst,2000.

[27]D.Jones,D.WoolfsonyA.Brown,«TexturalAnalysisandflowrheometryofnovel,bioadhesiveantimicrobialoralgels,»PharmaceuticalResearch,vol.14,nº4,pp.450-457,1997.

9

Anexo 1. Resultados estadísticos del diseño factorial para la variable tamaño de gota 1.1. Análisis de varianza Información del factor

Factor Niveles Valores

FRACCION DE ALUMINA 3 -1. 0. 1

FRACCION DE ACEITE 3 -1. 0. 1 Análisis de Varianza

Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p

Modelo 8 16,7511 2,09388 50,23 0,000

Lineal 4 15,8561 3,96402 95,09 0,000

FRACCION DE ALUMINA 2 5,2081 2,60407 62,47 0,000

FRACCION DE ACEITE 2 10,6479 5,32397 127,71 0,000

Interacciones de 2 términos 4 0,8950 0,22375 5,37 0,017

FRACCION DE ALUMINA*FRACCION DE ACEITE 4 0,8950 0,22375 5,37 0,017

Error 9 0,3752 0,04169

Total 17 17,1263 Resumen del modelo

S R-cuad. R-cuad.

(ajustado) R-cuad.

(pred)

0,204176 97,81% 95,86% 91,24% 1.2. Gráfica de residuos del diseño factorial teniendo en cuenta la fracción de aceite y alúmina como factores.

A partir de la gráfica de residuos se puede evidenciar que se cumplen los supuestos de distribución normal de los residuos, varianza constante de los residuos, y los residuos no están correlacionados entre si.

1.3. Gráfica de efectos principales para la variable, tamaño de gota.

10

1.4. Gráfica de interacciones principales para la variable gota.

1.5. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados.

Anexo 2. Resultados estadísticos del diseño factorial para la variable TSI 2.1. Análisis de varianza


Modelo 8 0,990078 0,123760 234,49 0,000

Lineal 4 0,918556 0,229639 435,11 0,000





Error 9 0,004750 0,000528


S R-cuad. R-cuad.

(ajustado) R-cuad.

(pred)

0,0229734 99,52% 99,10% 98,09% 2.2. Gráfica de residuos del diseño factorial teniendo en cuenta la fracción de aceite y alúmina como factores.

2.3. Gráfica de efectos principales para la variable, TSI.

2.4. Gráfica de interacción para la variable TSI.

11

2.5. Diagrama de Pareto para la variable TSI, teniendo en cuenta las variables de fracción de aceite y de alúmina.

Anexo 3. Resultados estadísticos del diseño factorial para la variable dureza 3.1. Análisis de varianza Análisis de Varianza


Modelo 8 0,008269 0,001034 0,59 0,764

Lineal 4 0,001732 0,000433 0,25 0,904





Error 9 0,015715 0,001746


S R-cuad. R-cuad. (ajustado) R-cuad. (pred)

0,0417865 34,48% 0,00% 0,00% Anexo 4. Resultados estadísticos del diseño factorial para la variable compresibilidad

4.1Análisis de varianza


Modelo 8 0,68074 0,085093 1,53 0,269

Lineal 4 0,27796 0,069489 1,25 0,357





Error 9 0,50069 0,055632


S R-cuad. R-cuad.

(ajustado) R-cuad.

(pred)

12

0,235865 57,62% 19,95% 0,00%

4.2. Gráfica de efectos principales para la variable Compresibilidad.

Anexo 5. Resultados estadísticos del diseño factorial para la variable adhesividad. 5.1. Análisis de varianza


Modelo 8 6,692 0,8365 0,82 0,603

Lineal 4 3,320 0,8301 0,82 0,546





Error 9 9,146 1,0162


S R-cuad. R-cuad.

(ajustado) R-cuad.

(pred)

1,00808 42,25% 0,00% 0,00%

13

Anexo 6. Incremento de Transmisión y Retro-Dispersión por un tiempo de 30 minutos con mediciones cada 5 minutos, para una muestra sin dispersante y sin polvo de alúmina para un TSI final de 9.19

Anexo 7. Incremento de Transmisión y Retro-Dispersión por un tiempo de 30 minutos con mediciones cada 5 minutos, para una muestra sin dispersante y con polvo de alúmina para un TSI final de 4

14

Anexo 8. Incremento de Transmisión y Retro-Dispersión por un tiempo de 30 minutos con mediciones cada 5 minutos, para una muestra con dispersante y sin polvo de alúmina para un TSI final de 0.34

elaboraciÓn de cerÁmicos en verde a partir de …

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