exploraciÓn y evaluaciÓn experimental de …
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EXPLORACIÓN Y EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE LUBRICANTES PARA EL PROCESAMIENTO DE ALMIDÓN DE MAÍZ PARA LA OBTENCIÓN DE
TERMOPLÁSTICOS.
DIANA CAROLINA TOQUICA DIAZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C.
2009
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EXPLORACIÓN Y EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE LUBRICANTES PARA EL PROCESAMIENTO DE ALMIDÓN DE MAÍZ PARA LA OBTENCIÓN DE
TERMOPLÁSTICOS.
DIANA CAROLINA TOQUICA DIAZ Proyecto de Grado para optar el título de ingeniero Químico
Profesor Asesor: ANDRÉS CÓRDOBA URIBE
Msc. Ing. Mecánica
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C.
2009
I
i
Pagina de aceptación
_________________________________________
Andrés Córdoba Uribe
Asesor
_________________________________________
Isabel Cristina Jiménez Useche
Jurado
Bogotá D.C. Junio de 2009
ii
Este trabajo está dedicado a mi familia,
que siempre me ha brindado su apoyo incondicional.
iii
AGRADECIMIENTOS
El mayor agradecimiento a mis padres, por tanto amor y paciencia, por ser mis
principales guías en la vida; a Andrés Córdoba por su constante apoyo y enseñanzas, al personal de apoyo del laboratorio de ingeniería mecánica, por su
ayuda en el desarrollo de la experimentación y a Juan Camilo Castro por darme la
fuerza y acompañarme durante este proceso.
iv
CONTENIDOS
Pag.
0. INTRUDUCCIÓN………………………………………………………….. 1 1. OBJETIVOS……………………………………………………………..… 2
1.1. OBJETIVO GENERAL……………………………………………. 2
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………………..…... 2
2. MARCO TEÓRICO……………………………………………………..… 3 2.1. POLÍMEROS………………………………………………….…... 3
2.2. BIOPOLÍMEROS………………………………………………..... 5
2.3. ALMIDÓN……………………………………………………..…… 7 2.4. PLASTIFICANTES………………………………………………… 9
2.5. LUBRICANTES……………………………………………........... 12
2.5.1. Generalidades………………………………………………..... 12
2.5.2. Tipos de lubricantes……………………………………………. 13
2.5.3. Acido palmítico…………………………………………………. 15
2.5.4. Acido esteárico……………………………………………….…. 16
2.6. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN………………………….. 17 2.6.1. Laboratorio de Amasado………………………………………. 17
2.6.2. Índice de Fluidez……………………………………………...... 18
2.6.3. Extrusión………………………………………………………… 19 2.7. TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO…………………………….. 20
2.7.1. Extrusión………………………………………………………… 20
3. MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………….......... 24
3.1. MATERIALES…………………………………………………….. 24
3.2. PROCEDIMIENTOS DE DETERMINACIÓN,PROCESA-
MIENTO Y CARACTERIZACIÓN………………………………. 24
3.2.1. Elaboración del almidón termoplástico a partir de almi- dón de maíz con lubricante…………………………………… 24
3.2.2. Etapa de pre-mezclado (almidón- urea- etanolamina)……... 25
v
3.2.3. Procesamiento de la pre-mezcla de urea, etanolamina
y almidón con lubricante………………………………………. 26 3.2.4. Índice de Fluidez……………………………………………….. 27
3.2.5. Extrusora…………………………………………………………27
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES………………………………………. 29 4.1. MEZCLADOR INTERNO…………………………………………... 29
4.1.1. F1+L1, Formulación 1 + Lubricante 1 (ácido palmítico)……. 29
4.1.2. F2+L1, Formulación 2 + Lubricante 1 (ácido palmítico)……. 31
4.1.3. F1+L2, Formulación 1 + Lubricante 2 (ácido esteárico)……. 32
4.1.4. F2+L2, Formulación 2 + Lubricante 2 (ácido esteárico)……. 33
4.1.5. Formulaciones F1 y F2 sin lubricantes………………………. 34
4.1.6. Comparación de resultados…………………………………… 35 4.1.6.1. Formulación 1 (Con y sin lub ricante)…………………. 36
4.1.6.2. Formulación 2 (Con y sin lub ricante)……….………… 36
4.2. ÍNDICE DE FLUIDEZ………………………………………………. 37
4.3. EXTRUSORA……………………………………………………….. 38
5. CONCLUSIONES…………………………………………………………... 41
6. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………… 43
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Ciclo de vida de un biopolímero manteniendo el balance de
CO2 en el ambiente………………………………………………….. 6
Figura 2. Molécula de amilosa……………………………………………………..…. 8
Figura 3. Molécula de amilopectina…………………………………………………… 9
Figura 4. Lubricante interno……………………………………………………………. 14
Figura 5. Estructura ácido palmítico……………………………………………. 15
Figura 6. Estructura ácido esteárico……………………………………………. 16
Figura 7. Plastograma…………………………………………………..………. 17
Figura 8. Rodillos Mezclador Interno…………………………………………... 18
Figura 9. Prueba de “Melt Index”………………………………………………. 19
Figura 10. Ejemplos de la interpretación de curvas de extrusión…….......... 20
Figura 11. Representación esquemática de una extrusora que
muestra diversas zonas funcionales……………………………… 21
Figura 12. Proceso de extrusión……………………………………………...… 22
Figura 13. Horno Thermolyne Tipe F6000 Furnance ref: F6038-60……….. 24
Figura 14. Batidora Hobart N-50…………………………………………......... 25
Figura 15. Mezclador interno Brabender Plasticorder 331……………......... 26
Figura 16. Melt Index……………………………………………………………. 27
Figura 17. Extrusora con dado de lámina……………………………………… 28
Figura 18. Calandra……………………………………………………………… 28
Figura 19. Formulaciones lis tas para mezclador interno……………………. 29
Figura 20. Grafica resultados mezclador interno F1-L1…………………….. 30
Figura 21. Grafica resultados mezclador interno F2-L1…………………….. 31
vii
Figura 22. Grafica resultados mezclador interno F1-L2……………………... 32
Figura 23. Grafica resultados mezclador interno F2-L2……………………... 33
Figura 24. Gráfica resultados mezclador interno F1…………………………. 34
Figura 25. Gráfica resultados mezclador interno F2…………………………. 34
Figura 26. Grafica resultados mezclador interno…………………………..… 35
Figura 27. Grafica efecto lubricantes sobre formulación 1………………..… 36
Figura 28. Grafica efecto lubricantes sobre formulación 2………………….. 36
Figura 29. Láminas extruidas…………………………………………………... 38
Figura 30. Gráfica resultado extrusión………………………………………... 39
Figura 31. Resultado Mezcla almidón y ácido palmítico…………………..… 40
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resultado Mezcla almidón y ácido palmítico…………..…………… 9
Tabla 2. Porcentajes en peso de cada una de las mezclas..………….. 26
Tabla 3. Resultados generales de mezclador interno……………..…………. 37
Tabla 4. Diferencia de torque estable en Mezclador interno y Extrusión….. 39
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0. INTRODUCCIÓN
El gran problema de los polímeros en la actualidad es su larga vida útil, lo que
genera grandes cantidades de desechos. Una solución a este gran problema
ambiental es la creación de polímeros biodegradables, que además de degradarse
después de un tiempo razonable, tiene un bajo costo y en ocasiones, existe abundancia en las materias primas que se utilizan.
El estudio del almidón termoplástico (TPS), ha recibido una atención creciente
durante los últimos años. Desde 1970 la preocupación ambiental ha influido en el aumento de la búsqueda de materiales provenientes de fuentes renovables, con
características muy similares a los que poseen lo polímeros sintéticos. (Barakani,
2006) Esté interés se estimulo debido al aumento de los precios de petróleo
(Mohanty et al., 2005).
Uno de los polímeros biodegradables que se ha estudiado en la Universidad de los
Andes es el TPS, utilizado para reemplazar el poliestireno que actualmente se
utiliza para producir semilleros extruidos y termoformados. El problema que presenta este termoplástico es que en el proceso de extrusión, el compuesto
tiende a quedarse incrustado en los dados de la extrusora.
En este proyecto se busca explorar y evaluar un aditivo lubricante que logre controlar la fluidez del TPS a través de la extrusora s in ningún problema, utilizando
dos formulaciones diferentes de TPS, urea y etanolamina como plastificante y el
almidón de maíz. Se estudiará el comportamiento de acido esteárico y el acido Palmítico como lubricantes.
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1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Evaluar el uso de lubricantes para la producción de almidón termoplástico con el
fin de mejorar el procesamiento por extrusión.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Establecer el efecto de diferentes lubricantes sobre parámetros de
procesamiento.
• Llevar a cabo experimentación con el ácido esteárico y el ácido palmítico
como lubricantes en dos concentraciones diferentes.
• Determinar la mejor concentración de lubricante en dos formulaciones
seleccionados a partir de estudios anteriores.
• Analizar las interacciones entre el lubricante y el almidón; y relacionarlos con los datos experimentales obtenidos.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1. POLÍMEROS
En el mercado mundial existe gran diversidad de materiales plásticos y
elastómeros que cubren diferentes necesidades domésticas e industriales. En
estados Unidos, entre enero de 1986 y abril de 1987, fueron comercializados
aproximadamente 2500 tipos y grados de materiales termoplásticos. En particular
en ese último año se introdujeron 236 nuevos grados, especialmente diseñados
para aplicaciones automotrices, empaque y embalaje. (Sánchez, 1994)
Un polímero es una sustancia natural o sintética que posee un alto peso
molecular, comúnmente superior a 10.000, estas integradas por elementos unidos
por un enlace covalente.
Los polímeros pueden clasificarse de diferentes maneras: en función de su origen,
por comportamiento térmico mecánico, por composición química, o por relación
producción- costo.
En función de su origen se subdividen en naturales y sintéticos. Dentro del primer grupo se encuentran todos aquellos productos de los reinos vegetales, animal
(polisacáridos, grasas, etc.) y mineral (grafito), así como productos derivados de
ellos. (Sánchez, 1994)
En el segundo grupo están los productos derivados del petróleo, por ejemplo:
polietileno (PE), policloruro de vinilo (PVC), poliestireno (PS), nylon, etc.
Respecto al comportamiento térmico mecánico, los materiales plásticos se subdividen en termoplásticos y termofijos. Los termoplásticos es necesario
calentarlos para darles forma y después enfriarlos, de esta forma adquieren y
conservan la forma que se les dio, Estos materiales pueden volverse a calentar
cierto número de veces para darles nuevas formas sin que haya un cambio
s ignificativo en sus propiedades. La mayoría de los termoplásticos están
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constituidos por cadenas principales muy largas de átomos de carbono, enlazados
entre sí en forma covalente. En los termoplásticos, las largas cadenas moleculares están ligadas entre s i por enlaces secundarios. (Smith, 2004) Por otra parte, los
termofijos son materiales que no se transforman con la aplicación de calor y
presión, ya que tienen estructuras reticulares que no se modifican por estos
medios. En consecuencia estos polímeros deben formase durante el proceso de polimerización. (Sánchez, 1994) Los termofijos no se pueden volver a fundir y
darles forma de nuevo, ya que se degradan o descomponen cuando se calientan a
una temperatura muy alta. (Smith, 2004)
Por su composición química los polímeros se agrupan en poliofinas, polímeros de
cloruro de vinilo, polímeros de estireno, polímeros fluorados, y hetero polímeros
(Sánchez, 1994).
Además de estas clasificaciones existe una más que se basa en la relación
volumen de producción/costo. En este caso se encuentran tres grandes grupos,
los polímeros de gran tonelaje, los polímeros de ingeniería y los polímeros de
especialidad. Los plásticos de gran tonelaje son los polímeros básicos de gran
volumen e consumo y de precio bajo; los principales son el polietileno,
polipropileno, poliestireno y policloruro de vinilo.
Por su parte los polímeros que se utilizan en ingeniería son materiales
procesables que pueden ser transformados a productos de dimensiones precisas
y estables, con propiedades mecánicas altas aun a temperaturas superiores a
100°C, resistencia tensil por arriba de los 40 MPa y con una alta relación (bajo
volumen de producción/alto precio) que los diferencia de la (alto volumen/bajo
precio) correspondiente a los polímeros de gran tonelaje.
El grupo de los plásticos de ingeniería esta constituidos por cinco tipos,
poliacetales, poliamidas, policarbonato, poliésteres y polióxido de fenileno.
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Los plásticos de especialidad son polímeros de ingeniería con propiedades
especiales de superficie, optoelectrónicas, conductividad térmica, etc. que tiene una relación (producción/alto costo) inferior a los platicos de ingeniería antes
mencionados. (Sánchez, 1994)
2.2. BIOPOLÍMEROS
Los polímeros basados en materiales “BIO” pueden o no pueden ser
biodegradables, dependiendo en su composición y estructura, como en el
ambiente en que estén.
Las fuentes renovables de materiales poliméricos ofrecen una respuesta para
mantener el desarrollo sostenible de la tan atractiva tecnología. Las innovaciones
en el desarrollo de materiales de biopolímeros, la preservación de los fósiles a base de materias primas, la degradabilidad biológica, la reducción en el volumen
de residuos, la reducción de las concentraciones atmosféricas de dióxido de
carbono liberados, así como una mayor utilización de los recursos agrícolas para
la producción de nuevos materiales verdes son algunas de las razones para el aumento de interés público. Los biopolimeros han ofrecido a los científicos una
posible solución. (Mohanty et al., 2005)
Los biopolímeros pueden definirse como aquellos polímeros que al ser inducidos microbianamente sufren fotodergradación, oxidación y hidrólisis para llegar a un
estado de degradación. Otra definición señala que los polímeros biodegradables
son capaces de sufrir la descomposición principalmente a través de la acción
enzimática de los microorganismos a dióxido de carbono, metano, compuestos
inorgánicos, o a biomasa en un período determinado de tiempo. Los biopolímeros
pueden ser obtenidos a partir de recursos renovables y también puede ser
s intetizado a partir de productos químicos basados en petróleo. (Mohanty et al., 2005)
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La biodegradabilidad no está sólo en función de su origen, sino también de su
estructura química y del medio ambiente en donde se degrada. Cuando los materiales biodegradables (polímero puro, mezclado de productos, o compuestos)
son obtenidos completamente de recursos renovables, estos pueden ser
denominados como polímero verde. El ciclo de vida de un polímero biodegradable
se muestra en la figura 1. (Mohanty et al., 2005)
Figura 1. Ciclo de vida de un biopolímero manteniendo el balance de CO2 en el
ambiente. (Mohanty et al., 2005)
El TPS presenta una mayor biodegradabilidad que los polímeros s intéticos
tradicionalmente como el poliestireno (PS) y el polipropileno (PP), debido a su
naturaleza. Esto le permite tener una alta disponibilidad de enlaces hidrolizables,
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además de contar con regiones tanto hidrofílicas como hidrofóbicas en su
estructura, que aumenta su biodegradabilidad. (Merchán, 2007)
2.3. ALMIDÓN
Nombre común de un hidrato de carbono complejo, (C6H10O5)x, inodoro e insípido,
en forma de grano o polvo, abundante en las semillas de los cereales y en los bulbos y tubérculos. Las moléculas de almidón están compuestas de cientos o
miles de átomos, que corresponden a los distintos valores de x, de la fórmula
anterior, y que van desde unos cincuenta a varios miles.
Las moléculas del almidón son de dos tipos. En el primero, la amilosa, que
constituye el 20% del almidón ordinario, los grupos C6H10O5 están dispuestos en
forma de cadena continua y rizada; en el segundo tipo, la amilopectina, se produce una importante ramificación lateral de la molécula. (Microsoft student, 2007)
El almidón es un polisacárido, una cadena de moléculas de glucosa, con dos tipos
de enlace alfa 1,4 y alfa 1,6. De este modo se presentan dos tipos de moléculas
en el almidón, Amilosa y Amilopectina. La cantidad de Amilosa presente en un almidón determina propiedades del almidón como el tamaño del grano y la
cristalinidad. Para poder relacionar las diferencias en propiedades fís icas del
almidón proveniente de distintas fuentes se define la relación
amilosa/amilopectina, que indica la cantidad de amilosa sobre la cantidad de
amilopectina presente en el almidón. La amilosa es el componente de menor
proporción en cualquier almidón nativo (Conn, 1998).
El almidón es fabricado por las plantas verdes durante la fotosíntesis. Forma parte
de las paredes celulares de las plantas y de las fibras de las plantas rígidas. A su
vez s irve de almacén de energía en las plantas, liberando energía durante el
proceso de oxidación en dióxido de carbono y agua. Los gránulos de almidón de
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las plantas presentan un tamaño, forma y características específicos del tipo de
planta en que se ha formado el almidón.
El almidón es difícilmente soluble en agua fría y en alcohol, pero en agua hirviendo
provoca una suspensión coloidal que al enfriarse se vuelve gelatinosa. El agua
caliente actúa lentamente sobre el almidón originando moléculas más pequeñas
llamadas dextrinas. Esta reacción es un ejemplo de hidrólisis catalizada por ácidos
y algunas enzimas. Las dextrinas, como el almidón, reaccionan con el agua
formando moléculas aún más simples, para finalmente obtener maltosa,
C12H22O11, un disacárido, y glucosa, C6H 12O6, un monosacárido (Microsoft
student, 2007).
Figura 2 : Molécula de amilosa (Conn, 1998)
El almidón se encuentra en la naturaleza en los cereales como el maíz, el trigo y en algunos tipos de arroz, además en las raíces y los tubérculos como la papa, y
la yuca. A nivel mundial se extraen 60 millones de toneladas de almidón cada año,
que es utilizado en un gran número de aplicaciones: como agente estabilizante,
adhesivo, gelificante, glaseante, humectante y espesante, para revestimiento y en
el acabado de textiles, entre otras (Hoover, 2001).
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Figura 3 : Molécula de amilopectina (Conn, 1998)
Dependiendo de la planta de la cual se extrae el almidón, esta posee un porcentaje diferente en su estructura. En la s iguiente tabla (tabla 1) se muestra las
diferencias entre almidones provenientes de varias fuetes vegetales (Gregorova et
al., 2006).
Tabla 1. Características de tipos de almidón (Gregorova et al., 2006)
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2.4. PLASTIFICANTES
Los plastificantes son químicos agregados a compuestos plásticos para mejorar el flujo y el proceso y reducir la fragilidad al impartir flexibilidad,
generalmente son compuestos de pesos molecular alto que se seleccionan de
modo que sean completamente miscibles y compatibles con el material básico
(Smith, 2004). Al agregar plastificante de más o menos, afecta de manera
negativa las propiedades mecánicas del termoplástico (Huang et al, 2005).
Existe una fuerte interacción entre los enlaces puente de hidrógeno en el
almidón nativo, esta interacción es a nivel intermolecular e intramolecular. Para
la obtención de termoplástico, es necesario reemplazar la fuerte interacción
entre los grupos hidroxilo de las moléculas de almidón nativo, que se lleva a
cabo con ayudo del plastificante, formando enlaces puente de hidrogeno con el almidón. Cuando se llega a este proceso, los gránulos de almidón se rompen y
se genera una fase continua, obteniendo así un compuesto con características
mejoradas (Ma et al., 2006).
En la literatura se encuentra una gran variedad de plastificantes empleados para formar TPS, tales como agua glicerol, urea, etanolamina, glicoles de bajo
y alto peso molecular y sorbitol entre otros.
Para este trabajo se utilizan como plastificantes la Urea y la Etanolamina (Hernández, 2008), La urea ayuda a prevenir la recristalización de manera
efectiva, pero los cristales de urea se separan provocando que el material sea
rígido y frágil (Ma et al., 2006), y la etanolamina ayuda a la formación de una
fase continua donde el almidón no se recristaliza y presenta más flexibilidad y
las propiedades térmicas disminuyen (Huang et al, 2005). La mezcla Urea –
Etanolamina como plastificante mejora la estabilidad térmica, las propiedades
mecánicas y la retrogradación del TPS (Ma et al., 2006) para llegar a tener un producto con características mejoradas.
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Las curvas de esfuerzo – deformación obtenidas en estudios anteriores de TPS
plastificado con urea y etanolamina (Hernández, 2008), muestran comportamiento s imilar a la de un material termoplástico arriba de su
temperatura de transición vítrea, además se comprueba que el TPS
plastificado con urea y etanolamina tiene mejores propiedades mecánicas
(rigidez y resistencia a la tensión) que el TPS plastificado con etalnolamina,
Sin embargo las propiedades mecánicas del TPS plastificado con Urea y
etanolamina tienen rangos inferiores a las propiedades del poliestireno de alto
impacto (material utilizado actualmente para la producción de semilleros), acercándose más al comportamiento de un termoplástico semicristalino
(Hernández, 2008).
Es necesario evitar la recristalización del TPS, ya que el material al estar en contacto con el suelo, los microorganismos presentes en este atacan el
material, puesto que estos tienen más acceso a nivel molecular, ya que el
orden de empaquetamiento es menor y por lo tanto aumenta la velocidad de
biodegradación (Chandra & Rustgi, 1998).
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2.5. LUBRICANTES
2.5.1. Generalidades
Los termoplásticos son macromoléculas de peso molecular generalmente
elevados cuyos fundidos son altamente viscosos. Virtualmente todos los
termoplásticos se procesan en el estado de fusión, puesto que el polímero fundido
debe pasar a través de ranuras, de canales, de pipas, y de dados estrechos en el
tiempo posible más corto. Para lograr altos niveles de producción con maquinaria
mínima y consumo mínimo de energía, es esencial disminuir la viscosidad de fusión al nivel posible más bajo. Esto se puede alcanzar de dos maneras: en
primer lugar, manteniendo la temperatura tan arriba como el material tolere y en
segundo lugar, agregando auxiliares – llamados lubricantes (aditivos que ayudan al proceso (Mascia, 1974)) - que disminuyen la fricción interna y externa. (Gächter,
1987)
Los lubricantes son aditivos que facilitan el procesamiento de plásticos al mejorar
sus propiedades de fluidez y reduciendo la adherencia de la mezcla a las partes
de la maquinaria. El consumo de estos es directamente proporcional a la
producción de plástico.
Los lubricantes son básicamente compuestos orgánicos, algunos de origen natural
como lo son el petróleo, animal o grasas y ceras vegetales, y otras son de origen
de productos sintéticos, como polietileno.
Cuando el procesamiento de PVC empezó, aproximadamente 50 años atrás, los
tecnólogos trataron de estabilizar este material con compuestos metálicos, luego
tornaron su atención a cadenas largas de hidrocarburos de estearatos metálicos, y
hallaron que entre más larga es la cadena, mas efectico era como lubricante.
Entre estos se encuentran esteres de glicerol, ácidos grasos, grasas y parafinas.
Los lubricantes deben obedecer las siguientes reglas:
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- No ser volátiles;
- No producir la decoloración y degradación por la reducción de la termoestabilidad del compuesto;
- No afectar las propiedades mecánicas del polímero.
El resultado de los lubricantes es un decrecimiento en la fricción. Durante la
mezcla y el proceso de los lubricantes se cubren las superficies de las partículas del polímero. Así el polímero se lubrica y fluye más fácil en las piezas frías de la
máquina de proceso. Con el aumento de temperatura, el polímero comienza a
ablandar y el lubricante se derrite y penetra el polímero.
El uso de lubricantes para el PVC actualmente cuenta con una gran cantidad de
estudios ya que este no puede ser procesado sin lubricantes y por lo tanto es el
polímero que más requerimientos posee de todos los termoplásticos. (Gächter, 1987)
En general los lubricantes controlan la acumulación de calor, reduciendo la fricción
entre moléculas después de la fusión, además de prevenir que el plástico se
pegue al barril y a los tornillos de la extrusora. (Gómez, 1984)
Sobrelubricar una mezcla también conlleva a problemas. Primero la pieza extruida
puede no salir con una superficie lisa, además puede que no se lleve a cabo la
fusión completa y que se requieran mayores temperaturas en el barril de la
extrusora. Si no se utiliza suficiente lubricante, la extrusión es forzada, se adhiere
el compuesto a las paredes del barril, la fusión rápida y las temperaturas del
tornillo son anormalmente bajas. En el producto final se manifiesta en un extruido quemado y con baja tenacidad del impacto. (Flórez, 2006)
2.5.2. Tipos de lubricantes
Existen dos tipos de lubricantes: Externos e internos. Los lubricantes internos son
conocidos por ser fácilmente solubles, estos son los lubricantes que reducen la
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viscosidad de derretimiento, mientras los lubricantes externos son insolubles.
(Zweifel, 2001)
El uso de lubricantes externos es con el fin de reducir las fuerzas de rozamiento y
reducir el desgaste en la interfaz de los miembros, rozando uno contra el otro.
Este tema fue de hecho adoptado por Leonardo Da Vinci, quien primero sentó las
bases de las teorías de la fricción y el desgaste. Los Lubricantes externos
utilizados para la ayuda de procesamiento son similares a los utilizados para la
lubricación límite convencional de superficies metálicas (Mascia, 1974).
La función de los lubricantes internos es lograr una plastificación a altas
temperaturas a fin de que la tasa de fusión de las partículas de polímero cuando
roce el uno contra el otro, como en la primera etapa de procesamiento, sea mayor
y la deformabilidad de la masa fundida resultante sea mayor. Un lubricante interno ideal, es aquel compatible con el polímero, únicamente a altas temperaturas.
En general Los lubricantes internos son químicamente similares a los lubricantes
externos con la excepción de que ejercen una mayor compatibilidad y no migrar
fácilmente a la superficie (Mascia, 1974).
Figura 4. Lubricante interno (Zweifel, 2001)
Para el caso del almidón termoplástico se evaluara dos lubricantes, el ácido
esteárico y el ácido palmítico, la escogencia de estos lubricantes es debido a sus
características moleculares, por ser ácidos carboxílicos. En ellos dos moléculas
pueden formar una cadena de hidrogeno a través de los grupos carboxílicos
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altamente polares y de esta manera doblan la cadena de hidrocarburos. El plástico
polar (el caso del almidón termoplástico) tiene una mejor lubricación con el uso de estos, donde el peso molecular es la característica más importante. Los ácidos
con alto peso molecular comúnmente no son usados, solamente en compuestos
que requieren bajas temperaturas de procesamiento. (Gächter, 1987)
2.5.3. Ácido Palmítico
Los ácidos carboxílicos se caracterizan por la existencia de uno o más grupos
carboxilos en su molécula. Los ácidos carboxílicos orgánicos se dividen en
alifáticos, alicíclicos, aromáticos y heterocíclicos, siendo el ácido palmítico y el
acido esteárico, acido alifáticos, pues no forman anillos.
Figura 5. Estructura ácido palmít ico
El ácido palmítico se encuentra junto con el acido esteárico en caso todas las
grasas sólidas. En gran cantidad en parte libre y en parte como glicérido (ester
formado por ácidos grasos y glicerina unidos mediante una reacción de
esterificación), se encuentra en el aceite de palma, hallándose relativamente de
pequeñas cantidades de otras grasas. El acido palmítico se presenta en pequeños
cristales blancos, escamosos, insolubles en agua y solubles en alcohol y en éteres
(Muspratt). El ácido palmítico puro se emplea en trabajos de preparaciones
científicas, por ser este un ácido débil que forma sales neutras y sales ácidas.(Ullmann, 1931)
Sinónimo: Hexadecanóico
Formula: CH3(CH2)14COOH
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Peso Molecular: 256
Punto de fusión: 62,9 °C
Punto de ebullición: 271,51 °C (Kirk, 1961)
2.5.4. Ácido esteárico
Figura 6. Estructura ácido esteárico
EL ácido esteárico se presenta como glicérido constituyendo la mayor parte de los
sebos del Buey y carnero. Se puede, por lo tanto, obtener por saponificación de
estos. El acido esteárico es sumamente parecido en todas sus propiedades y derivados al acido palmítico. Cristaliza de sus soluciones alcohólicas en cristales
blancos, escamosos, insolubles en el agua y mas insolubles en el alcohol que el
acido palmítico. (Muspratt)
Sinónimo: Octadecanóico
Formula: CH3(CH2)15COOH
Punto de fusión: 61 °C
Punto de ebullición: 227,01 °C (Kirk, 1961)
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2.6. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
La escogencia del lubricante correcto es uno de los problemas más difíciles en el procesamiento de plásticos, debido a que las maquinas de producción son muy
costosas para ensayar (Gächter, 1987).
Por lo tanto se realizaran tres pruebas a cada muestra obtenida para escoger el
mejor lubricante:
2.6.1. Laboratorio de “amasado”
La “amasadora” también llamado mezclador interno, consiste en un
compartimiento termoestabilizado que está encerrado por un pistón cargable y en cuál las laminas de la amasadora giran. El torque de estas
láminas puede ser medido. Los compartimientos se llenan con una cantidad
definida del compuesto termoplástico, cerrada con el pistón, y se le aplica presión. Mientras que la temperatura del compartimiento se mantenga
constante, la temperatura del compuesto cambia según el progreso de
plastificación, alcanzando una válvula final, que aumenta con el inicio de la
descomposición.
En la siguiente gráfica, se muestra un plastograma con sus características
máximas y mínimas.
Figura 7. Plastograma (Gächter, 1987)
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Figura 8. Rodillos mezclador interno (Zweifel, 2001)
El torque estable alcanzado después de la plastificación indica el
comportamiento del flujo del compuesto. Sin embargo, este no es
específicamente suficiente para diferenciar productos. EL tiempo de
plastificación hasta que el torque aumente es un índice para la estabilidad
térmica del compuesto bajo un estrés dinámico. (Zweifel, 2001)
2.6.2. Índice de fluidez
La muestra es ubicada en un tubo que tiene un pequeño orificio en el fondo,
este es sometido a calor para que el material empiece a salir por el orificio y
se empieza un conteo de tiempo. Luego de un tiempo especifico, el material es removido, enfriado y pesado. El peso del material sobre un tiempo
específico es el índice de fluidez. Entre más grande sea el peso molecular
del material, menor será el índice.
Este procedimiento se realizara teniendo en cuenta la norma ASTM D1238.
19
Figura 9. Prueba de “Melt Index” (Strong, 2000)
2.6.3. Extrusión (efecto de lubricación completa)
La extrusora es un extrusor de laboratorio que normalmente tiene un tornillo de diámetro de 20 a 30 mm. Además, también tiene equipo para controlar la
temperatura y la presión de la fusión del material a lo largo del barril, en
particular antes del dado, así como la presión de vuelta del tornillo, el torque
y rpm.
La extrusora por lo tanto se convierte en el instrumento más útil para medir
el efecto de los lubricantes. Además de su capacidad para medir los datos
reológicos exactos obtenidos por la alta presión capilar del reómetro,
también proporciona información sobre la velocidad de plastificación, la
relación entre lubricación interna y externa (dada por el torque/ salida de
válvulas), la calidad superficial (inicio de la fractura del compuesto), la termoestabilidad (decoloración del extruido) y, finalmente, el
comportamiento viscoelástico (a la salida del dado).
Las tendencias en los principales datos se muestran en la gráfica 1, como
lo es el torque.
20
Figura 10. Ejemplos de la interpretación de curvas de extrusión. 1) Normal, 2)
insuf iciente lubricación interna, 3) sobre- lubricado (Gächter, 1987).
2.7. TÉCNICA DE PROCESAMIENTO
2.7.1. Extrusión
En el proceso de extrusión, la resina termoplástica es alimentada en un cilindro
calentado y el plástico fundido es forzado mediante un tornillo giratorio a través de una abertura (o aberturas) en un troquel maquinado con precisión para producir
formas continuas. Después de salir del troquel, la parte extruida debe ser enfriada
por debajo de su temperatura de transición vítrea para asegurar su estabilidad
dimensional. El enfriamiento se realiza generalmente bajo un chorro de aire o con un sistema de enfriamiento por agua (Smith, 2004).
21
Figura 11. Representación esquemática de una extrusora que muestra diversas zonas
funcionales: tolva, zona de transporte sólidos, retardador de inicio de fundido, zona de
fundido y zona de bombeo fundido.(Smith, 2004)
El proceso de extrusión tiene varios pasos (figura 12) que garantizan el producto
deseado (Strong, 2000):
1. Alimentación del material a trabajar a una tolva.
2. Extrusión. Barril con tornillo de extrusión donde hay un flujo por arrastre y
calentamiento que forza al material a salir a través del dado. El barril se
encuentra dividido en tres zonas de calentamiento: la primera es la zona de
alimentación, esta la mayor profundidad y el menor diámetro interno con el
fin de precalentar los materiales sólidos lentamente, favoreciendo su flujo;
la segunda es la zona de compresión y fusión en donde disminuye la profundidad del canal y aumenta el diámetro, provocando compresión y la
fundición se logra con la transferencia de calor por fricción y conducción; y
22
la tercera es la zona de dosificación en donde se homogeniza la
temperatura y la presión, completando la mezcla.
3. Dado. El propósito del dado es el de dar forma a la mezcla para que
después de pasar por este, la mezcla pueda ser enfriada en la forma
deseada. Este debe ser suficientemente largo para lograr su trabajo, pero
no demasiado, porque se aumenta la caída de presión haciendo que el flujo
se devuelva. Entre el barril y el dado se encuentra una placa rompedora y
un juego de mallas, que retienen el material sólido, aumentan la presión
para que el material fluya a través del dado.
4. Enfriamiento. Es necesario enfriar el material que sale del dado, para que
este mantenga su forma. Esto se logra al introducirlo en un baño de
enfriamiento en donde el agua circula o es esparcida encima del material.
5. Rodillo. El material pasa a través de un rodillo que lo aleja de la extrusora y
lo empuja hacia el equipo de remoción. Si el material no es removida de la
extrusora, el material será devuelto al dado y el material caería al piso.
6. Remoción. El producto obtenido debe ser removido de la línea de proceso.
Figura 12. Proceso de extrusión.(Strong, 2000)
23
El procesamiento por extrusión consiste en aplicarle temperatura y esfuerzo
cortante a la mezcla de almidón y plastificante para lograr el rompimiento de los granos de almidón. El efecto de la temperatura sobre el material se obtiene al
calentar el barril del equipo en diferentes zonas, con el fin de crear un perfil de
temperatura al cual se somete la mezcla. Al calentarse la suspensión, los cristales
se dilatan, permitiendo que se rompan los granos. (Vanden Einde et al., 2003)
Durante el proceso de extrusión es posible controlar varias condiciones de
operación, como lo son el tipo de tornillo y la velocidad, los perfiles de temperatura
y el número de pasadas a través de la extrusora. La velocidad del tornillo extrusor tiene un efecto directo sobre la viscosidad del material fundido. El tipo de tornillo
extrusor afecta la dis ipación de energía, el mezclado, y el volumen de producción.
Al tener temperaturas demasiado altas se pueden romper las moléculas, afectando de negativamente la resistencia mecánica del material (Funke et al.,
1998). Sin embargo en varias ocasiones, hacer más de una pasada por la
extrusora brinda mejores resultados porque se logra remover la cristalinidad
residual, que tiene el efecto de aumentar la viscosidad, influenciando
negativamente el proceso (Thuwall et al., 2006).
24
3. MATERIALES Y METODOS
3.1. MATERIALES
Los materiales que se utilizaron en este trabajo son el almidón de maíz (donado por la empresa Industrias el Maíz S.A.), como plastificante se utilizó urea y
etanolamina, y como lubricantes el ácido esteárico y el ácido palmítico y agua para
la gelatinización.
3.2. PROCEDIMIENTOS DE DETERMINACIÓN, PROCESAMIENTO Y
CARACTERIZACIÓN.
Como se ha mencionado anteriormente, para poder observar los efectos de
variables respuestas como lo es el torque de la mezcla, se realizaron ciertas
etapas de proceso donde se obtuvieron muestras que posteriormente se
analizaron con el fin de observar los diferentes efectos.
3.2.1. Elaboración de almidón termoplástico a partir de almidón de maíz
con lubricante. Inicialmente se seca el almidón para eliminar el exceso de humedad
(aproximadamente un 11%), este proceso se realiza a una temperatura de 120°C
y durante 90 minutos, según un proyecto de grado hecho por Ángela Cristina
Vargas (Vargas, 2007), este proceso se realizo en un horno Thermolyne Tipe
F6000 Furnance ref. F6038-60.
Figura 13. Horno Thermolyne Tipe F6000 Furnance ref: F6038-60
25
3.2.2. Etapa de pre-mezcla almidón – urea-etanolamina.
Se realizaron mezclas con dos diferentes formulaciones antes estudiadas, una
con contenido del 20% de urea, 10% de etanolamina y 70% de almidón
(formulación 1) y la segunda con un contenido del 16,5% de urea, 13,5% de etanolamina y 70% de almidón (formulación 2). El porcentaje de lubricante
seleccionado es del 2% para todas las mezclas. Este porcentaje se selecciona por
revis ión bibliográfica (Gächter, 1987). Para mezclar estas formulaciones, primero
se mezcla la etanolamina con la urea durante 5 minutos, pasado este tiempo se le
agrega el lubricante, ya sea el ácido palmítico (Lubricante 1) o el ácido esteárico
(Lubricante 2) y se deja durante otros 5 minutos, pasado este tiempo se le agrega el almidón de maíz durante 10 minutos, y por último se agrega el 35% en peso de
agua para su gelatinización. Para este procedimiento se utilizo la batidora Hobart
N-50 del laboratorio de pruebas fís icas del departamento de Ingeniería mecánica
de la Universidad de los Andes con una velocidad de 285 rpm.
Figura 14. Batidora Hobart N-50
En total se obtuvieron 6 diferentes muestras como se muestra a continuación, cada mezcla con un peso de 500gr base de almidón, urea y etanolamina:
26
Tabla 2. Porcentajes en peso de cada una de las mezclas.
Almidón Urea Etanolamina Agua Ácido
Palmítico Acido
esteárico
Mezcla 1 70% 20% 10% 35% 2% -
Mezcla 2 70% 16,50% 13,50% 35% 2% -
Mezcla 3 70% 20% 10% 35% - 2%
Mezcla 4 70% 16,50% 13,50% 35% - 2%
Mezcla 5 70% 20% 10% 35% - -
Mezcla 6 70% 16,50% 13,50% 35% - -
Luego de realizadas estas mezclas, es necesario dejarlas al horno durante 6 horas
a una temperatura de 110°C.
3.2.3. Procesamiento de la pre-mezcla de urea, etanolamina y almidón con lubricante.
Para preparar cada una de las muestras, se trabaja en el Mezclador Interno a
unas condiciones de operación ya estudiadas; aproximadamente a una
temperatura de 150ºC, a una velocidad de 50 rpm, por un tiempo de 4 minutos,
durante el cual se observa una estabilización del torque. Se realizaron 3 réplicas de cada mezcla con lubricante (50 gr).
Figura 15. Mezclador interno Brabender Plasticorder 331
27
3.2.4. Índice de fluidez
La muestra es ubicada en un tubo que tiene un pequeño orificio en el fondo, este es sometido a calor (150°C) para que el material empiece a salir por el orificio y se
empieza un conteo de tiempo. Luego de un tiempo especifico, el material es
removido, enfriado y pesado. El peso del material sobre un tiempo específico es el
índice de fluidez. Entre más grande sea el peso molecular del material, menor será el índice.
Este procedimiento se realiza teniendo en cuenta la norma ASTM D1238.
Figura 16. Melt index
3.2.5. Extrusora El proceso de extrusión consiste en alimentar el material que se requiere procesar
a una tolva donde es tomado por un tornillo s in fin, el cual a medida que transporta
el material, también ejerce un esfuerzo cortante donde el material es procesado
bajo un perfil de temperaturas crecientes. El barril de la extrusora se calienta en varios puntos por medio de resistencias. El objetivo del calentamiento del barril, es
el de facilitar el rompimiento de los granos de Almidón, de esta forma se puede
28
disminuir la cantidad de esfuerzo cortante necesario para el procesamiento del
material. Para evitar la degradación de la mezcla es de gran importancia mantener el valor de la temperatura por debajo de la temperatura de degradación del
almidón y por debajo de la ebullición del plastificante. La extrusión se realiza con
una extrusora de venteo y con una bomba de vacío, se utiliza un perfil de
temperaturas de 150°C, 155°C, 160°C y 165°C, y por ultimo un sensor de de presión en el dado.
Figura 17. Extrusora con dado de lámina
A la salida del dado, se hace uso de una calandra, esta con el fin de dar un mejor terminado y espesor a la lámina. Se utiliza una velocidad de laminado de
aproximadamente 3 rpm.
Figura 18. Calandra
29
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1. MEZCLADOR INTERNO
Durante el proceso de mezclado interno se registra el torque en función del
tiempo, con lotes de alimentación de 50 gr.
Figura 19. Formulaciones listas para mezclador interno.
4.1.1. F1+L1, Formulación 1 + Lubricante 1 (ácido palmítico)
Para esta mezcla, como se menciono anteriormente, se realizaron tres réplicas
con el fin de obtener datos más confiables, para el manejo de estos datos se
promediaron todos los torques obtenidos en las réplicas. Los resultados se
muestran en la siguiente gráfica.
30
Figura 20. Graf ica resultados mezclador interno F1-L1
Como se puede observar en la figura 20, primero se observa un aumento del
torque (este aumento debido al fenómeno de plastificación (Gregorova et al., 2006)), hasta alcanzar un máximo de 39,7 Nm en el minuto 1 aproximadamente,
donde se tiene un estado pseudo-sólido. Despues de alcanzar este punto, el
torque disminuye hasta alcanzar el torque estable, que es de aproximadamente 27,5 Nm, donde la mezcla ya es homogenea.
Para obtener la energia de plastificación y la energia de fusión se realizó una
regresión polinómica de sexto orden, dando como resultado una ecuación
aproximada a la curva (ecuación 1):
y = ‐0,0529x6 + 1,1086x5 ‐ 8,6902x4 + 33,391x3 ‐ 66,286x2 + 59,528x + 19,772 (1)
R² = 0,9844 (2)
Al integrar esta ecuación con los respectivos límites (area bajo la curva), se halla
que la energía de plastificación es aproximadamente de 25,82 Nm min y una
energia de proceso de 4 minutos de 131,41 Nm min.
31
4.1.2. F2+L1, Formulación 2 + Lubricante 1 (ácido palmítico)
Al Igual que en la mezcla anterior se realizaron tres réplicas y se promediarón,
para así obtener la figura 21:
Figura 21. Graf ica resultados mezclador interno F2-L1
En este gráfica observamos que el torque máximo es es de 41,7 Nm en el minuto
dos aproximadamente, y el torque estable es de 34 Nm.
Al realizar una regresión polinómica de sexto orden se obtuvo la s iguiente
ecuación:
y = ‐0,5484x6 + 7,1709x5 ‐ 36,206x4 + 89,065x3 ‐ 113,65x2 + 77,368x + 13,522 (3)
R² = 0,9816 (4)
Para luego integrarse en sus respectivos límites, y así se hallo que la energía de
plastificación de la mezcla es de 67,65 Nm min y la energía de proceso de 4 minutos de 145,38 Nm min.
32
4.1.3. F1+L2, Formulación 1 + Lubricante 2 (ácido esteárico)
Al promediar los datos obtenidos en las tres réplicas en el mezclador interno se obtuvo la s iguiente gráfica:
Figura 22. Graf ica resultados mezclador interno F1-L2
Obteniendo un torque máximo de 25,24 Nm, y un torque estable de 21 Nm.
En este caso se realizo una regresión polinómica de orden 3, y se obtuvo las
ecuaciones 5 y 6:
y = 0,1424x3 ‐ 3,9436x2 + 18,199x + 1,689 (5)
R² = 0,9968 (6)
Y al integrar esta ecuación de la curva se hallo que la energía de plastificación es de 40,78 Nm min y la energía de proceso a los 4 minutos de 77,34 Nm min.
33
4.1.4. F2+F2, Formulación 2 + Lubricante 2 (acido esteárico)
La grafica obtenida al promediar las réplicas hechas en el mezclador interno de la mezcla, se muestra a continuación:
Figura 23. Graf ica resultados mezclador interno F2-L2
Se puede observar que el torque máximo es de 27,85 Nm y el torque estable de
25 Nm.
Al realizar una regresión polinómica de sexto orden se obtuvo la s iguiente
ecuación:
y = ‐0,1056x6 + 1,5387x5 ‐ 8,6065x4 + 22,437x3 ‐27,707x2 + 21,395x + 7,1048 (7)
R² = 0,999 (8)
Al integrar la ecuación 7, en sus respectivos límites, se obtiene una energía de
plastificación de 65,86 Nm min y una energía de proceso a los 4 minutos 85,05
Nm min.
34
4.1.5. Formulaciones F1 y F2 sin lubricantes
El procedimiento mencionado se utilizo de igual forma para estudiar los datos obtenidos en el mezclador interno de las formulaciones F1 y F2 sin lubricantes, y
se obtienen las figuras 24 y 25.
Figura 24. Gráf ica resultados mezclador interno F1
Con la formulación 1 (70 % almidón, 10% etanolamina y 20 % Urea), se obtiene un
torque máximo de 94,22 Nm , una energía de plastificación de 5,3152 Nm*min , y una energía de proceso a los 4 minutos de 160,82 Nm*min.
Figura 25. Gráf ica resultados mezclador interno F2
35
Con la formulación 2 (70 % almidón, 13,5% etanolamina y 16,5% Urea), se obtiene
un torque máximo de 100,81 Nm, una energía de plastificación de 41,35 Nm*min, y una energía de fusión proceso a los 4 minutos de 211,73Nm*min.
4.1.6. Comparación resultados
Para ver los resultados obtenidos y poder comparar gráficamente se muestra a continuación la figura 26:
Figura 26. Graf ica resultados mezclador interno
La energía de plastificación se puede asociar con la favorabilidad termodinámica de la difusión del plastificante en el almidón, o la compatibilidad entre estos. El
torque estacionario es un indicativo de la viscosidad del almidón termoplastico
fundido (Córdoba, 2007).
En general se ve un cambio radical en comparación con mezclas s in lubricante,
por ejemplo al retirar la mezcla de los tornillos, no es necesario hacer fuerza, no
quedan residuos, y le da cierto brillo a los tornillos. Como se ve en la gráfica 16, el
comportamiento del torque respescto al tiempo, es muy diferente en las mezclas
s in lubricante (F1 y F2), el torque máximo alcanzado es de 94,22 Nm y de 100,81
Nm respectivamente, mucho mayor a las otras mezclas que si contienen
lubricante.
36
A continuación se estudiará el comprotamiento de cada formulación por separado.
4.1.6.1. Formulación 1. (con y sin lubricantes)
Figura 27. Grafica efecto lubricantes sobre formulación 1
4.1.6.2. Formulación 2. (con y sin lubricantes)
Figura 28. Grafica efecto lubricantes sobre formulación 2
Como se puede observar en las figuras 27 y 28, el efecto de los lubricantes sobre
las formulaciones, esta en la dismunución de la energía de proceso, indicando una
disminución en el torque durante los 4 minutos, es decir disminuyendo la
viscosidad de las mezclas. Se ve un comportamiento similar de ambos lubricantes
sobre ambas formulciones, donde el lubricante 1 (ácido palmítico) disminuye
37
principalmente el torque máximo y al llegar al minuto 1 en la formulación 1 y al
minuto 2 en la formulación 2 aproximadamente, el torque es el mismo con o sin lubricante, lo contrario ocurre con el lubricante 2 (ácido esteárico), que además de
dismunuir el torque máximo, nunca llega a tener el torque estable de la mezcla sin
lubricante.
Tabla 3. Resultados generales de mezclador interno
Tiempo
duración
(min)
Torque
máximo
(Nm)
Torque
estable
(Nm)
Energía de
Plastificación
(Nm*min)
Energía de
proceso
(Nm*min)
F1+L1 4 39,7 27,5 25,81 131,41
F2+L1 4 41,7 34,0 67,65 145,38
F1+L2 4 25,2 21,0 40,78 77,34
F2+L2 4 27,85 25,0 65,86 85,08
F1 4 94,2237 35,6 5,31 160,82
F2 4 100,812 39,1 41,35 211,73
4.2. ÍNDICE DE FLUIDEZ
Para esta prueba se alimentan 5 gr de la mezcla F1+L1, a 150°C y con un peso
inicial de 2160 Kg (100 gr equivalentes al peso del pistón), luego de diez minutos
s in ningún resultado, se decide aumentar el peso a un total de 5860 gr. Luego de
veinte minutos aun sin ningún resultado, se decide aumentar el peso a un total 10760 gr. Después de aproximadamente 1 hora y con un peso total de 20660 gr la
mezcla F1+L1 no fluye a través del dado del plastómetro. Por último se decide
aumentar la temperatura a 170°C, a estas condiciones la mezcla fluye muy lento, pero ya no es apta para ser estudiada por este método, pues se teme que puede
haber llegado a un punto de degradación.
38
Este comportamiento se observo de igual manera para la mezcla F1+L2, y dado el
presupuesto se concluye no continuar esta prueba.
Este comportamiento nos indica un producto con un alto peso molecular que dará
paso a un producto con mayor tenacidad. Así mismo tendrá una mayor resistencia
en fundido y por lo tanto mayor viscosidad de fundido, es decir, no presentará un
buen llenado de molde al momento de ser inyecta o extruido.
4.3. EXTRUSORA
Dado que del índice de fluidez no se obtienen resultados, se decide extruir las
mezclas con lubricante. A continuación se muestran las láminas finales de un grosor de 3 mm, luego de ser extruidas.
Figura 29. Láminas extruidas
Las láminas que se facilitaron en la extrusión y en la calandra y obtuvieron
además un mejor aspecto (superficie más lisa), son las mezclas que contienen la
formulación 2, sin importar el lubricante. Con esta formulación las láminas se quiebran con menos facilidad que las mezclas con formulación 1, además es más
fácil obtener laminas más largas. En la mezcla F1+L2, se observa una superficie
39
corrugosa y con burbujas de aire, esto puede ser debido a una sobrelubricación
para esta formulación.
Con los datos obtenidos de torque vs tiempo, se puede rectificar los valores
obtenidos en el mezclador interno, a continuación se muestra los resultados en la
figura 30.
Figura 30. Graf ica Resultados extrusión
Como se puede observar, los resultados parecen no estar muy desviados de los
resultados arrojados por el mezclador interno, s in embargo en la tabla 3 se muestran ambos resultados para su comparación:
Tabla 4. Diferencia de torque estable en Mezclador interno y Extrusión
Formulación Torque estable Mezclador interno (Nm)
Promedio Torque estable Extrusora (Nm)
F1+L1 27,5 35,99
F2+L1 34 40,05
F1+L2 21 25,36
F2+L2 25 29,77
La tabla antererior muestra que los resultados arrojados del torque estable en la
extrusora logran el mismo comportamiento con todas las mezclas en el mezclador
40
interno, indicando así el mejoramiento de la viscosidad en las mezclas con el uso
de los ácidos. Esta diferencia se debe a la temperatura en las que se procesan las mezclas, ya que en el mezclador interno siempre es a una temperatura constante
de 150°C, mientras en la extrusora existe un perfil de temepratura creciente a
partir de 150°C. Además los resultados de la extrusora, nos indican que el
porcentaje de lubricante es normal (Gächter, 1987) por el comportamiento del torque en el tiempo, donde este no tiene tendencias a aumnetar o a disminuir
considerablemente.
La propiedad química del almidón que en la actualidad tiene la mayor importancia industrial es la relativa facilidad con que su enlace polimérico reacciona por los
ácidos, (Kirk, 1961-2) este comportamiento se ve reflejado en la disminución de la
viscosidad de las mezclas con el uso del ácido palmítico y del ácido esteárico, con mayor influencia el ácido esteárico, que al mezclarse con el almidón a una
temperatura de 150°C forma un enlace de hidrógeno de la siguiente forma:
Figura 30. Resultado Mezcla almidón y ácido palmítico
41
5. CONCLUSIONES
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede concluir que el ácido esteárico
tiene una mayor influencia sobre el TPS, como se ve en la figura 27 y en la figura
28, a las dos formulaciones que se les agrego este ácido, tienen menor torque
tanto máximo como estable y menor energía de proceso que las formulaciones
con ácido palmítico.
Sin embargo los resultados de la formulación 1 (70 % almidón, 20% de urea y 10%
etanolamina), da mejores resultados que la formulación 2 (70% almidón, 16,5%
Urea, y 13,5% de etanolamina) s in importar el lubricante que se le agregue, tienen
aproximadamente una diferencia de 6 Nm, con ambos lubricantes.
Al agregar lubricante a las mezclas se observa que la energía de plastificación
aumenta, es decir, la mezcla toma más tiempo en llegar al torque máximo; este
comportamiento se observa fácilmente en las mezclas con lubricante 2 (acido
esteárico).
Respecto a la tabla 2, los resultados nos indican de nuevo que si existe un cambio en la energía de proceso a los 4 minutos de cada mezcla al agregar lubricante, la
energía más alta es la de la mezcla F2, casi el doble de la mezcla F1+L2, lo que
nos lleva a la misma conclusión que según el torque estable, y la energía de proceso, el mejor lubricante y la mejor formulación son el ácido esteárico y la
formulación 1 (70 % almidón, 20% de urea y 10% etanolamina), dándonos como
resultado la mezcla con menos viscosidad de todas, sin embargo los resultados
arrojados por la extrusora, nos indican que el porcentaje de lubricante utilizado, el
2% de ácido esteárico, puede ser una cantidad mayor a la requerida para este
proceso, ya que el resultado de la lamina, es una lamina corrugosa y con burbujas
de aire, lo que indica una sobrelubricación de la mezcla.
42
La mezcla de plastificantes Urea- etanolamina forma enlaces de hidrógeno más
estables y fuertes que otros plastificantes, además la etanolamina es muy buen disolvente para la urea y ambos pueden existir en forma molecular en el TPS (Ma
et al., 2006), por esto los resultados obtenidos, donde se encuentra que el 20% de
Urea y el 10% de etanolamina nos da mejores resultados que el 16,5% de urea y
13,5% de etanolamina, al tener una mayor cantidad de urea y una menor cantidad de etanolamina, se logra una mayor cantidad de puentes de hidrógeno del
lubricante con las moléculas de almidón, y así se logra una mejor interacción con
el lubricante y el almidón, además se observa que la formulación que tiene mayor cantidad de urea (20%), presenta una lámina extruida más frágil que la lamina con
menor cantidad de urea (16,5%), y la lámina con mayor cantidad de etanolamina
(13,5%) presenta más flexibilidad, lo que corrobora la literatura (Ma et al., 2005).
Se encuentra que el ácido esteárico por tener una cadena de carbonos más larga,
“lubrica” mejor las mezclas de Almidón, urea y etanolamina.
Además de los resultados obtenidos en las pruebas, donde se indica que el mejor
lubricante es el ácido esteárico, esta teoría se puede confirmar por la facilidad de
adquis ición y precio del ácido esteárico en comparación con el ácido palmítico.
43
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