Optimización de una espuma flexible de poliuretano de baja resiliencia por medio de la variación del índice de isocianato

Texto completo

(1)IQ-2002-2-20. Optimización De Una Espuma Flexible De Poliuretano De Baja Resiliencia Por Medio De La Variación Del Índice De Isocianato. Por. Adriana Constanza Solano Florez.. Proyecto de Grado presentado a la Universidad de los Andes Como requisito parcial para obtener el titulo de Ingeniera Química. Director Ingeniero Miguel W Quintero.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA Bogota, D. C. Colombia 2003. 1.

(2) IQ-2002-2-20. A Dios por haberme dado la oportunidad de cumplir este sueño. A mi papá por su inmenso amor y confianza, porque sin su apoyo no podría haber llegado hasta aquí. A mi mama, por estar siempre a mi lado cuando la necesito.. 2.

(3) IQ-2002-2-20. Agradecimientos. Por su inmensa y siempre desinteresada colaboración:. A las personas del CITEC, Fabián Presiga, Jimmy Niño y en especial a Josué Ramírez, por su paciencia y sabiduría.. A Alba Lucia Correa, por su valiosa colaboración.. A ESPUMLATEX, por apoyar esta investigación.. 3.

(4) IQ-2002-2-20. Resumen.. El objetivo de este trabajo, es presentar los resultados de un estudio, acerca del efecto de la variación de la morfología de fases, en las propiedades físicas y mecánicas, de una espuma flexible de poliuretano. Con el fin de minimizar su amortiguamiento o resiliencia, y a la vez garantizar su buen desempeño mecánico.. La variación de la morfologia, se lleva acabo por medio de la modificación del Índice de Isocianato y el porcentaje de agua, en una formulación para una espuma flexible. de. baja. resiliencia,. desarrollada. ESPUMLATEX.. 4. por. la. empresa. colombiana.

(5) IQ-2002-2-20. Tabla de Contenido. Listado de Figuras. _______________________________________________________ 7 Lista de Tablas. __________________________________________________________ 8 Lista de Ecuaciones_______________________________________________________ 9 Capitulo 1 Introducción __________________________________________________ 10 1.1. Antecedentes ___________________________________________________ 10. 1.2 Planteamiento del Problema. _________________________________________ 11 1.3 Objetivo del Proyecto _______________________________________________ 11 Capitulo 2 Fundamento Teórico.___________________________________________ 13 2.1. Química del Poliuretano ____________________________________________ 13 2. 2 Absorción de energía _______________________________________________ 15 2.2.1 Resiliencia. ___________________________________________________ 16 2.2.2 Análisis Mecánico Dinámico (DMA) ______________________________ 17 2.3 Morfología ________________________________________________________ 18 2. 5 Índice de Isocianato ________________________________________________ 22 2.6 Propiedades de la espuma Vs. Índice de isocianato ______________________ 23 Capitulo 3 Experimentación ______________________________________________ 28 3.1 Sistema de Referencia_______________________________________________ 28 3. 2 Protocolo Experimental ____________________________________________ 30 3.3 Diseño Experimental________________________________________________ 39 3.3.1 Elección del Diseño factorial.____________________________________ 39 3.3.2 Elección de Factores y niveles___________________________________ 39 3.4 Resultados ________________________________________________________ 41 Capitulo 4 Resultados Estadísticos._________________________________________ 42 4.1 Consideraciones Generales __________________________________________ 4.1.1 Supuestos __________________________________________________ 4.1.2 Modelo Matemático __________________________________________ 4.1.3 Planteamiento de Hipótesis____________________________________. 5. 42 42 42 42.

(6) IQ-2002-2-20. 4.1.4 Nivel de Significancia _________________________________________ 43 4.2 Análisis Anova de las Propiedades ____________________________________ 43 4.3 Análisis Regresión__________________________________________________ 46 Capitulo 5 Análisis de Resultados. _________________________________________ 49 Capitulo 6 Conclusiones __________________________________________________ 58 Bibliografía. ____________________________________________________________ 61 Apendice 1 _____________________________________________________________ 62. 6.

(7) IQ-2002-2-20. Listado de Figuras. Ilustración 1 Reacción de Gelación _______________________________________________ Ilustración 2 Reacción de Soplado ________________________________________________ Ilustración 3 Modelo de la composición y la separación de fases en el poliuretano ________________ Ilustración 4 Diagrama de las estructuras presentes en el poliuretano _________________________ Ilustración 5. Mezclador del equipo “Box Foamer”. _____________________________________ Ilustración 6 Vaso del equipo “Box Foamer”. _________________________________________ Ilustración 7. Figura de un mezclador eléctrico para laboratorio _____________________________ Ilustración 8 Desgarre en función del contenido de agua y el índice __________________________ Ilustración 9 Dureza en función del contenido de agua y el índice __________________________ Ilustración 10 IFD 25% en función del contenido de agua y el índice _________________________ Ilustración 11 Elongación en función del contenido de agua y el índice ________________________ Ilustración 12 Compresion set en función del contenido de agua y el índice ____________________ Ilustración 13 Resiliencia en función del contenido de agua y el índice ________________________ Ilustración 14 Tensión en función de la cantidad de agua y el índice __________________________. 7. 13 14 18 19 31 32 34 50 51 52 54 55 56 57.

(8) IQ-2002-2-20. Lista de Tablas.. ________________________________________________ Tabla 2 Componentes parte Poliol________________________________________________ Tabla 3 Propiedades Mecánicas ________________________________________________ Tabla 4 Factores y niveles _____________________________________________________ Tabla 5 Resultados obtenidos mediante interpolación a flujo de aire igual a 1 ___________________ Tabla 6 Análisis Anova para Resistencia a la Tensión ___________________________________ Tabla 7 Análisis Anova para Dureza ______________________________________________ Tabla 8 Análisis Anova para % de Elongación ________________________________________ Tabla 9 Análisis Anova para Compresión Set (Deformación Permanente )______________________ Tabla 10 Análisis Anova para Resiliencia ___________________________________________ Tabla 11 Análisis Anova para IFD 25 % ____________________________________________ Tabla 12 Análisis Anova Desgarre________________________________________________ Tabla 13 Análisis de Regresión para dureza _________________________________________ Tabla 14 Análisis de Regresión para % de elongación___________________________________ Tabla 15 Análisis de Regresión para Compresión Set ( Deformación Permanente) ________________ Tabla 16 Análisis de Regresión para Resiliencia ______________________________________ Tabla 17 Análisis de Regresión para IFD 25 % _______________________________________ Tabla 1 Formulación Espumlatex. 8. 28 33 38 40 41 43 43 44 44 44 44 45 46 47 47 48 48.

(9) IQ-2002-2-20. Lista de Ecuaciones. __________________________________________________________ 16 Ecuación 2 Indice Isocianato ___________________________________________________ 22 Ecuación 1 Tan ä. 9.

(10) IQ-2002-2-20. Capitulo 1 Introducción. 1.1 Antecedentes. Los materiales poliméricos con propiedades de absorción de sonido y energía han sido usados en una gran variedad de aplicaciones. Los poliuretanos en particular, son ideales para la absorción o atenuación de varias frecuencias de vibración, esta característica sumada al amplio rango de selección de materias primas, su fácil procesamiento, la habilidad para amoldarse a la configuración deseada, y sus propiedades físicas, los hacen el material. escogido para suelas de zapatos. deportivos,. de. elementos. de. amortiguación. vibración,. componentes. de. automóviles, paneles para aislamiento sísmico, amortiguamiento de la vibración y el ruido de las partes móviles de maquinaria entre otras 1. La Espuma de Baja Resiliencia o espuma viscoelástica, también conocida como espuma con memoria, espuma alivia presión, ó espuma de lenta recuperación, ha sido usada por años en diferentes aplicaciones, principalmente en el cuidado de la salud, en elementos tales como; sillas de ruedas, almohadas, y colchones. Debido, a su habilidad para reducir los puntos de presión en áreas del cuerpo que están continuamente en contacto. 1. con estos elementos, lo que reduce la. A.M. SARPESHKAR. 10.

(11) IQ-2002-2-20. ocurrencia de lesiones en la piel o. ampollas asociados con la inmovilización. prolongada del paciente.. 1.2 Planteamiento del Problema.. En Colombia, no se produce espuma viscoelástica, para este tipo de aplicaciones, sin embargo se destacan esfuerzos como los de la empresa Espumlatex, que ha venido desarrollando algunas formulaciones empíricas para conseguir una espuma de este tipo. Aunque la espuma es suave al tacto y presenta una muy lenta recuperación, posee algunas deficiencias en cuanto a la recuperación de su forma original al ser sometida a carga ( compresión set o deformación permanente.. 1.3 Objetivo del Proyecto. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados de un estudio acerca del efecto de la variación de la morfología de fases, en las propiedades físicas y mecánicas, de una espuma flexible de poliuretano de baja resiliencia. Con el fin de minimizar su amortiguamiento o resiliencia, y a la vez garantizar su buen desempeño mecánico.. 11.

(12) IQ-2002-2-20. De igual forma, se pretende generar gráficos de tendencias, que expliquen el comportamiento de las diferentes propiedades físicas y mecánicas, al ser modificados cada uno de los factores propuestos, basados en la experimentación, y el fundamento teórico que encierra la química y la morfología de la espuma. 12.

(13) IQ-2002-2-20. Capitulo 2 Fundamento Teórico.. 2.1. Química del Poliuretano. La Espuma Flexible de Poliuretano es un material celular producido por la reacción de un poliol con un poli-isocianato orgánico, en la presencia de agua y que puede incluir catalizadores, agentes activos de superficie, agentes sopladores auxiliares, rellenos plastificantes, colorantes y otros aditivos que no afecten adversamente las propiedades de la espuma.2. En el proceso de formación de la espuma de poliuretano, se distinguen al menos dos reacciones principales:. 1. Reacción de Polimerización ó gelación, El poliuretano se forma mediante la reacción del isocianato con un alcohol, en un proceso de polimerización por etapas. Ilustración 1 Reacción de Gelación. 13.

(14) IQ-2002-2-20. 2. Reacción de Espumado ó soplado,. Para dar origen a la espuma de poliuretano, el polímero debe ser expandido o soplado mediante la introducción un agente soplante interno o externo, el cual se difunde en burbujas previamente nucleadas en el medio reactante, y causa la expansión del polímero para formar la espuma.. Un agente soplante interno conveniente es el CO2 producto de la reacción entre el isocianato restante y el agua 3. Ilustración 2 Reacción de Soplado. El producto intermedio de esta reacción es un ácido carbamico térmicamente inestable, el cual se descompone espontáneamente en una amina y dióxido de carbono. 2. ICONTEC. 3. Herrington. 14.

(15) IQ-2002-2-20. Adicionalmente la amina reacciona con el isocianato adicional para dar una urea di substituida. De nuevo, si los reactantes tiene una funcionalidad superior a 2, se obtiene un polímero entrecruzado.. La expansión puede ser ayudada mediante un agente de expansión físico, un liquido de bajo punto de ebullición, generalmente se usan fluoro-carbonos, cloruro de metilo, u otros líquidos con un punto de ebullición cercano a la temperatura ambiente.. 2. 2 Absorción de energía 4. La absorción de energía puede ser vista de dos formas:. 1. El substrato absorbe el impacto y este es destruido en el proceso, luego las espumas absorben la energía, y proveen de cierta manera protección.. 2. El material absorbe la energía mecánica o acústica y la transforma en energía térmica la cual es disipada en la matriz. Este mecanismo de absorción de energía puede ser descrito mediante la siguiente ecuación:. 4. A.M. SARPESHKAR. 15.

(16) IQ-2002-2-20. Tan δ =. G´´ G´. Ecuación 1 Tan ä. Donde G ´´ es él módulo de perdida; G´ es el módulo de almacenamiento; y tan ä es la tangente del ángulo ä ( también llamado factor de disipación. En polímeros donde movimientos segmentados de las cadenas del polímero son posibles, G´´ y tan ä alcanzan un m áximo en la temperatura de transición vítrea.. Bajo impacto, la absorción de energía. provoca un movimiento de las. cadenas, el polímero transforma entonces, la energía de vibración en energía térmica la cual es eventualmente disipada. La absorción de energía puede ser medida en diferentes formas: un método practico es mediante una Prueba de rebote también llamada “Ball Rebound Test” (resiliencia), y el otro mediante un Análisis mecánico dinámico.. 2.2.1 Resiliencia. Se puede definir, como la capacidad que tiene un material, para convertir, la energía de impacto, ocasionada por una carga impuesta, en un rebote mecánico ( recuperación) y energía térmica, que se disipa. 5. 5. Herrington. 16.

(17) IQ-2002-2-20. La resiliencia se mide dejando caer una bola (ball rebound test) sobre la espuma a una altura determinada, y se mide la altura a la que llega, luego de rebotar en la espuma. Esta se expresa como el porcentaje al que llega la bola con respecto a la altura inicial de caída.6 Kageoka 7 considera una espuma de baja resiliencia, o espuma de recuperación lenta a aquella con resiliencia menor al 20%.. 2.2.2 Análisis Mecánico Dinámico (DMA) En este análisis se mide la respuesta viscoelástica de un material polimérico, que esta sujeto a vibraciones cíclicas. La variación de tan ä con la temperatura y la frecuencia proveen valiosa información en el diseño y la selección de un polímero de acuerdo con la aplicación requerida.. En espumas de poliuretano, el rango aproximando de tan ä es de 0.01 a 1.0 8. A medida que aumenta el tan, se disipa una mayor cantidad de energía, y por tanto la espuma se recuperará más lentamente. (Resiliencia menor.. 6. Herrington Kageoka 8 Herrington 7. 17.

(18) IQ-2002-2-20. 2.3 Morfología La espuma flexible de poliuretano es producida mediante tres compuestos básicos 1. Una larga cadena de Poliol Poliéster o Polieter 2. Diisocianato 3. Agua y opcionalmente un extendedor de cadena 9. Ilustración 3 Modelo de la composición y la separación de fases en el poliuretano10. Los que se utilizan para llevar a cabo las reacciones de polimerización y espumado. Ø Como producto de la reacción de espumado entre el TDI y el agua, se forma dióxido de carbono, que actúa como agente soplante, y una amina disubstituida. La amina disubstituida reacciona con el isocianato adicional para producir grupos rígidos de urea los cuales, cuando alcanzan un 9. Sarpeshkar , Markusch Ooman Thomas. 10. 18.

(19) IQ-2002-2-20. tamaño y una concentración considerable, se separan en dominios ricos en urea (dominios de segmentos duros). 11. Ø Por otro lado, como resultado del entrecruzamiento del poliol poliéter de funcionalidad cercana a 3. Se obtienen cadenas poliéter, totalmente móviles a temperatura ambiente que conforman dominios de segmentos blandos.. Ø Como producto de la reacción entre el isocianato y un poliol multifuncional, se obtiene los grupos uretanos que unen los grupos urea a los segmentos blandos de éter, dando origen a. una estructura de red. entrecruzada. covalente.. Ilustración 4 Diagrama de las estructuras presentes en el poliuretano12. 11 12. D. V. Dounis and G. L. Wilkes Herrington. 19.

(20) IQ-2002-2-20. La separación de fases en dominios de segmentos duros y dominios de segmentos blandos, se explica mediante la incompatibilidad termodinámica de los distintos segmentos, debido al carácter no-polar de los segmentos blandos, y el carácter polar de los segmentos duros. 13. Como resultado, el polímero consta de dominios de segmentos blandos y flexibles los cuales son responsables de la alta deformabilidad del poliuretano, y dominios de segmentos duros, los cuales inhiben el flujo plástico de las cadenas y crean la resiliencia elastomerica.. Desde el punto de vista físico de los polímeros, tales poliuretanos representan productos elastomericos que están caracterizados por una estructura copolimerica segmentada de cadena primaria.. La estructura secundaria y terciaria y consecuentemente, la morfología de estos poliuretanos es dependiente. de la composición química y el largo de los. segmentos.. 13. Oomman. 20.

(21) IQ-2002-2-20. 2.4 Influencia de la morfología en la resiliencia. La resiliencia (rebote) es una función directa del tipo y la cantidad de segmentos blandos en el poliuretano. Bajo impacto, el comportamiento de un poliuretano con una gran cantidad de segmentos blandos y una baja de segmentos duros, esta marcado por el desenredamiento de una porción de segmentos blandos seguido de una reorientación de los segmentos duros en la dirección de la carga. Lo que resulta en una alta resiliencia (rebote) (deformación / reformación) - fenómeno observado en materiales elastomericos.. Incrementar la cantidad de segmentos duros reduce la habilidad de los segmentos blandos para desenredarse y como resultado, el rebote decrece (menor deformación /menor reformación). Al mismo tiempo mas energía es absorbida por disipación térmica.. Incrementar la densidad de entrecruzamiento en un poliuretano, tiene el mismo efecto. Los entrecruzamientos covalentes reducen el potencial de desenredo de los. segmentos. blandos. y. se. observa. un. bajo. rebote.. El entrecruzamiento puede ser introducido a través del isocianato o el poliol. Cuando la cantidad de segmentos duros llegan a dominar, los segmentos blandos pierden la habilidad de moverse y llegan a congelarse. En este estado el rebote es. 21.

(22) IQ-2002-2-20. mínimo, y la dureza de la superficie y la temperatura de transición vítrea Tg se incrementan.14 2. 5 Índice de Isocianato. Es una medida del balance estequiometrico entre los equivalentes de Isocianato usados por el total de equivalentes provenientes de agua, polioles y otros reactivos que contengan grupos OH. La cantidad relativa de isocianato usada se compara con los requerimientos teóricos. Indice =. NCO usado NCO teorico. Ecuación 2 Índice Isocianato. Este índice puede ser variado de acuerdo con las propiedades mecánicas y las condiciones de procesabilidad deseadas. Algunos autores recomiendan:. Ø El rango práctico de variación del índice para espuma moldeada basada en TDI, históricamente se aproximado entre 90-110. Espumas producidas fuera de estos rangos, algunas veces presentan deficiencias en su procesabilidad.15. 14 15. Sarpeshkar and Markusch Herrington Cap 11. 22.

(23) IQ-2002-2-20. Ø En procesos comerciales, Índices de isocianato entre 85-110, son comúnmente utilizados. 16 17. Ø Bajos índices pueden obstaculizar el proceso de curado, incrementar la tendencia a descolorizarse de la espuma y altos valores de Compresion set. (deformación permanente) 18. 2.6 Propiedades de la espuma Vs. Índice de isocianato. Con base en estos rangos de variación, se pueden obtener distintas propiedades físicas y mecánicas, que investigadores, en el campo de la Espuma Flexible de Poliuretano, han logrado establecer. Algunos de los resultados obtenidos, se muestran a continuación.. Ø Sonal Desay: El incremento en el índice de Isocianato, por encima de 100, incrementa la atracción intermolecular entre segmentos duros, lo cual se. 16 17. 18. Dounis y Wilkes Skorpenske at al. Stan Hhager, Richard Skorpenske. 23.

(24) IQ-2002-2-20. refleja en un incremento en la resistencia a la tensión y el decrecimiento de la elongación.19. Ø Herrington: La variación del indice en la espuma, tiene un notable efecto en la dureza. El incremento en la dureza, ha sido directamente relacionado con el incremento de los entrecruzamientos covalentes, como resultado de un consumo completo de los sitios reactivos causado por la presencia de un exceso de grupos isocianato.. Ø Herrington: En general, la espuma se endurece con el incremento del índice. No obstante existe un punto en el cual la dureza no se incrementa y otras propiedades físicas empiezan a decrecer. 20. Incrementar el índice, implica a su vez un cambio en el perfil de crecimiento, donde se incluyen un incremento en el tiempo de tacto libre y una disminución de la rata de curado de la espuma 21. Ø Kageoka: El índice de Isocianato es un factor importante para controlar las propiedades finales de la espuma, este factor causa un cambio significativo en. la amplitud de la temperatura de transición vítrea. Los resultados. muestran que el Tg α se incrementa a medida que se incrementa el índice 19 20. Sonal Desay et all Herrington Cap 2. 24.

(25) IQ-2002-2-20. de Isocianato, sin embargo el Tg β permanece constante. El incremento en el Tg α puede estar causado por el incremento de los entrecruzamientos, aloftanos y biurets generados por la reacción con el isocianato en exceso.22. Ø Hager : Formulaciones con bajo índice son típicamente utilizadas para fomentar la apertura de la celda, evitar el encogimiento y conseguir altos niveles de suavidad y conformabilidad.. Sin embargo, esto puede ocasionar una gran variabilidad ene el procesamiento y en las propiedades de la espuma, debido ala competencia entre el poliol y el agua por la limitada cantidad de isocianato. Bajos índices pueden obstaculizar el proceso de curado, incrementar la tendencia a descolorizarse de la espuma y altos valores de Compresión sets. 23. Ø Dounis y Wilkes: realizaron en 1997, uno de los estudios más completos, acerca de la influencia de la variación del índice de TDI, en las propiedades físicas y en la morfología de la espuma flexible.. Para efectos de este estudio, el índice fue variado entre 85 -110, y se logro establecer:. 21 22. Herrington Kageoka,Inaoka, Kumaki,Tairaka. 25.

(26) IQ-2002-2-20. o El incremento del entrecruzamiento ocasionado por el incremento del índice de isocianato, previene la separación de fases. o Cuando se incrementa el índice de isocianato, la dureza al 65% de compresión del material, también se incrementa. Lo que sugiere que altos índices en la formulación, resultan en altos contenidos de segmentos duros y /o altas redes de enlaces covalentes.. o Experimentos de extracción con solventes, indican que los entrecruzamientos covalentes, son una consecuencia directa de alterar el índice de isocianato. Sin embargo, no existe una diferencia significativa, entre el índice de 100 y el de 110, lo que sugiere que la cantidad de entrecruzamientos, alcanza un máximo, en un valor cercano a 100.Sin embargo es importante aclarar que este valor puede variar, dependiendo de la reactividad de los isomeros TDI.. De igual forma, se analizaron algunas propiedades mecánicas y viscoelásticas, donde se encontró: o El esfuerzo y la deformación a la ruptura, se incrementan en función del índice. Con la excepción del índice de 110 donde estos valores son más bajos.. 23. Stan Hager, Richard Skorpenske. 26.

(27) IQ-2002-2-20. o La influencia del índice se hace evidente en la recuperación de las pruebas de Compresión set. Teniendo en cuenta que se aumento la temperatura, la mayor recuperación, fue obtenida por las espumas de mayor índice.. o El incremento de la recuperación con el índice esta atribuido al incremento de los entrecruzamientos covalentes.. o De igual forma se logro establecer, que la espuma con menor índice F85, tiene mejor separación de fases que la de mayor índice F100.. o Lo anterior se sustenta, en un análisis de DMA, don de se observa, que al incrementar el índice, se aumenta la temperatura de transición vítrea de los segmentos suaves.. o Por ultimo, se establece, que al incrementar el índice, y por ende incrementar los entrecruzamientos covalentes, se disminuye la perfección de los dominios duros.. 27.

(28) IQ-2002-2-20. Capitulo 3 Experimentación. 3.1 Sistema de Referencia. COMPONENTE. Partes por 100 de poliol (pphp). PESO (G). MEZCLA POLIOLES. 100. 900. CATALIZADOR 1. 0,1. 0,9. CATALIZADOR 2. 0,05. 0,45. CATALIZADOR 3. 0,2. 1,8. SURFACTANCTE1. 0,67. 5,85. SURFACTANCTE2. 0,67. 5.85. AGUA. 1,34. 12,06. AGENTE SOPLANTE. 1,5. 13,5. TOTAL. 104,53. 940,75. ISOCIANATO. 25,3. 227,7. TDI INDEX. 86,34. TOTAL PESO. 1168,45. Tabla 1 Formulación Espumlatex. POLIOL La parte poliol esta conformada por la mezcla de 5 cinco diferentes polioles, que se describen a continuación:. Poliol 1 Es un triol capeado de alta reactividad, su peso molecular es de 4800, basado en oxido de etileno y oxido de propileno. 28.

(29) IQ-2002-2-20. Poliol 2 Es un poliol con la mima base del poliol 1, que contiene partículas de estireno acrilonitrilo. (SAN) en la matriz polimérica.. Poliol 3 Es un poliol polieter oxipropilado, el cual permite bajar la viscosidad de la mezcla, y actúa como agente entrecruzante en la formulación dándole a la espuma la característica de lenta recuperación. Su peso molecular nominal es de 440 24. ISOCIANATO. El isocianato utilizado es una mezcla de los isomeros 2,4 y 2,6 de tolueno diisocianato en una proporción de 80:20. Este producto es normalmente llamado TDI 80.. CATALIZADORES. Se usan dos clases de catalizadores:. 1. Catalizadores de Amina: 2. Catalizador de Estaño (T-9). 24. www.dow.com. 29.

(30) IQ-2002-2-20. 3. 2 Protocolo Experimental. Con base en la formulación suministrada por ESPUMLATEX, se fabrican muestras de espuma en cajas de madera de 40cm*40 cm de base por 23 cm de alto a nivel de laboratorio. I. Equipos y materiales v Contenedores Cilíndricos de plástico desechables (vasos). v Jeringas, goteros y palos de paleta para adicionar pequeñas cantidades (0.1-10 g) de catalizadores y surfactantes de silicona. v Cajas de madera forradas en plástico para servir como contenedores de la espuma. v Balanzas de laboratorio. v Contenedores para guardar las diferentes formulaciones. v Equipo “Box Foamer” con un agitador como el mostrado en la figura 6. El vaso de mezclado se muestra en la figura 7. El material del agitador y del vaso es acero inoxidable 25.. 25. Herrington Secc 5.8. 30.

(31) IQ-2002-2-20. Ilustración 5. Mezclador del equipo “Box Foamer”.. 31.

(32) IQ-2002-2-20. Ilustración 6 Vaso del equipo “Box Foamer”.. ♣. Mezclador eléctrico de laboratorio con velocidad ajustable (Servodyne o motor al cual se le puede ajustar la velocidad de 0 hasta 3000rpm) con agitador tipo Cowles, de diámetro 10cm.. II. PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DE LA ESPUMA 1.. Asegúrese de que los contenedores cilíndricos de plástico desechables (vasos), Jeringas, goteros y palos de paleta, a usar estén limpios.. Ya que la presencia de cualquier material particulado, no deseado, puede causar defectos en la estructura de la espuma. 2.. Usando el vaso de mezcla del “Box foamer”, que cuenta con una capacidad aproximada de 1600g. Pesar en una balanza analítica la parte poliol, en orden descendente, excluyendo el Cloruro de metileno.. 32.

(33) IQ-2002-2-20. Tabla 2 Componentes parte Poliol. POLIOL 2 POLIOL 1 POLIOL 3 POLIOL 6 POLIOL 5 AGUA SURFACTANCTE1 SURFACTANCTE2 CATALIZADOR 1 CATALIZADOR 2 SURFACTANCTE3. Es importante llevar a cabo el proceso de pesado con la mayor precisión posible, y en el orden indicado, para asegurar que las cantidades más pequeñas de material (surfactantes de silicona y catalizadores) queden embebidos en la mezcla poliol, y no se acumulen en el recipiente.. 3.. Mezclar la parte poliol en el mezclador eléctrico, por medio del agitador Cowles, a una velocidad de 600 rpm, durante 7 minutos, para lograr una mezcla homogénea.. El mezclado es un factor crítico, ya que determina las propiedades físicas de la espuma como el tamaño de la celda, inclusión de burbujas de aire, y la formación de grietas por mezclado deficiente.. 33.

(34) IQ-2002-2-20. Ilustración 7. Figura de un mezclador eléctrico para laboratorio. 4.. Envasar en recipientes debidamente tapados, la mezcla de la parte poliol, y dejarla en reposo durante al menos un día.. De esta forma se eliminan las burbujas de aire generadas durante el proceso de mezcla, y se disminuye la temperatura de la misma. La temperatura es un factor determinante en el desarrollo de la reacción de formación del poliuretano. Al formar la espuma de poliuretano, al menos dos reacciones compiten entre sí: la reacción de gelación (isocianato-poliol) y la reacción de soplado (isocianato-agua); cuando la temperatura se eleva, se aumenta la velocidad de las reacciones que suceden, y como éstas son exotérmicas, la velocidad de las mismas aumenta exponencialmente 26. Al reducir la temperatura de la parte poliol se disminuye la reactividad de la espuma (mayor tiempo de crema y mayor tiempo de crecimiento). En el proceso de formación de espuma, los reactivos, que inicialmente están líquidos 26. En el equipo “Box Foamer” se mezcla durante 15 seg. la parte poliol; al aumentar el tiempo de mezclado a 7 min, la temperatura de la mezcla aumenta hasta 41°C, lo cual produce una disminución del tiempo de crema a menos de 4 seg (tiempo de mezcla con la parte isocianato). Durante un experimento en el laboratorio, la mezcla de la parte poliol con parte isocianato reaccionó tan rápidamente que el contenedor del “Box Foamer” se presurizó durante los 4 seg de mezcla. La mezcla reaccionada, salió a gran velocidad cuando el equipo dejó libre el contenedor con la mezcla. Esta experiencia permitió identificar la temperatura como factor determinante en el proceso de producción de esta formulación de espuma de poliuretano.. 34.

(35) IQ-2002-2-20. van aumentando su viscosidad a medida que las diferentes reacciones avanzan; la viscosidad sigue aumentando hasta convertirse en un sólido elástico. Cuando se aumenta el tiempo de crema y el tiempo de crecimiento, se aumenta el tiempo entre la evolución del líquido viscoso hasta el sólido elástico, lo que permite lograr una estabilidad dimensional de la celda, a través del enfriamiento más lento del CO2 contenido en las celdas. Con base en la experiencia en el laboratorio, y con base en la visita realizada a espumlatex, la temperatura de la parte poliol, debe estar alrededor de 18-20 ºC. Para alcanzar esta temperatura, es suficiente dejar la mezcla una noche en reposo.. 5.. Pesar la cantidad de isocianato T-80 requerida en un beaker de 500 ml de capacidad.. 6.. Medir la temperatura de los componentes (parte poliol, e isocianato), y asegurar que la temperatura este entre 18-20 ºC. La temperatura de los componentes afecta la viscosidad, la densidad y la reactividad química de los polioles y los isocianatos.. 7.. Adicionar el agente soplante externo, en el vaso de mezclado del Box Foamer, donde se haya contenida la mezcla de poliol, preparada el día anterior.. 8.. Mezclar la parte poliol y el agente soplante externo (Cloruro de metileno), durante 30 seg. a 600 rpm en el agitador eléctrico.. 35.

(36) IQ-2002-2-20. 9.. Pesar la mezcla para asegurar que la cantidad de cloruro agregada, corresponde a. la de la formulación. De no ser así, agregue nuevamente. Cloruro de metileno, hasta completar la cantidad necesaria, posteriormente repita los pasos 8-9.. Al agregar el cloruro de metileno a la mezcla de poliol, este tiende a quedarse en la superficie, y a evaporarse rápidamente, debido a su presión de vapor. El cloruro es un compuesto muy volátil (T ebullición = 38°C), no obstante, una vez solubilizado en la parte poliol, la presión de vapor del cloruro de metileno (diclorometano) se reduce , y de esta manera se previene su evaporación. Es necesario asegurar que la cantidad de cloruro agregada sea igual a la formulada, ya que esta afecta el proceso de soplado de la espuma y por ende su densidad libre de crecimiento.. 10. Mezclar la parte poliol, y el catalizador de estaño T-9, a 1500 rpm, durante 20 seg., en el Box Foamer.. 11. Mezclar la parte poliol e isocianato durante 4 segundos, en el Box Foamer a 1500 rpm.. 12. Verter la mezcla en una caja de madera, previamente forrada en plástico.. 13. Registrar del tiempo de crema y tiempo de crecimiento.. 14. Limpiar el agitador con el solvente (diclorometano o cloruro de metileno).. 36.

(37) IQ-2002-2-20. La experiencia en la preparación de la formulación suministrada por espumlatex para espuma de baja resiliencia, ha mostrado que es necesario incluir un procedimiento de rompimiento mecánico de celda. III. PROCEDIMIENTO PARA LA APERTURA DE CELDAS DE LA ESPUMA. 1. Una hora después, de la fabricación del cojín, pasarlo a través de la calandra (Wheleer.) Este procedimiento, debe realizarse sin suministrará temperatura a los rodillos, y proveyendo una apertura entre rodillos de 3 cm para asegurar un rompimiento uniforme de todas las celdas. IV. PROCEDIMIENTO PARA CORTE Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS FÍSICAS Y MECANICAS. 1. Dejar curar la espuma durante una semana a temperatura ambiente, para luego ser cortada en cojines de 30cmx30cmx10cm. Por medio de este procedimiento se asegura que la reacción de polimerización se complete.. 2. Las pruebas, se deben realizar 7 días después de fabricada la espuma, y se debe asegurar que las muestras se acondicionen durante mínimo 12 horas en el laboratorio de humedad y temperatura controlada.27 3. Con el fin de evaluar el desempeño mecánico de la espuma obtenida, se realizaran las siguientes pruebas, de acuerdo con la norma respectiva.. 27. Norma ASTM D3574. 37.

(38) IQ-2002-2-20. . PROPIEDAD MECÁNICA Densidad IFD (Identation Force Deflection) Resiliencia Dureza al 40% Resistencia a la Tensión % Elongación Desgarre Compression set Air Flow. NORMA ASTM D3574 –A ASTM D3574 –B1 ASTM D3574 –H ICONTEC 2019 -6.4 ASTM D3574 –E, dimensiones ICONTEC 2019, Fig.1 ASTM D3574 –F ASTM D3574 –D ASTM D3574 –G. probeta. Tabla 3 Propiedades Mecánicas. NOTA : los operarios deberán usar los elementos de protección apropiados, tales como bata de laboratorio, gafas de protección, mascara y guantes. También debe asegurarse que todos los componentes de la espuma están a la temperatura adecuada28. 28. Herrington, Hock, “ Flexible Foam Preparation ”, 1989, Capitulo 5, pag 5.1-5.10.. 38.

(39) IQ-2002-2-20. 3.3 Diseño Experimental. 3.3.1 Elección del Diseño factorial.. En el diseño factorial se puede estudiar el efecto conjunto de varios factores sobre una variable respuesta. El efecto de cada factor esta definido como el cambio en la respuesta producida por un cambio en el nivel del mismo, o efecto principal. De acuerdo con el objetivo del proyecto, se realizara un diseño factorial completo el cual evalúa los efectos de los factores o variables independientes y las interacciones entre estas.. 3.3.2 Elección de Factores y niveles. Los factores o variables independientes para la experimentación, se define como: 1. Factor A: Índice de Isocianato 2. Factor B: Partes de agua. Por lo tanto el diseño factorial queda establecido como un diseño factorial con dos factores Factor A y. Factor B con 3 niveles respectivamente. Esto da como. resultado 9 corridas que a su vez están compuestas de 3 cojines, en los cuales se varia el catalizador de estaño empíricamente, con el fin de obtener flujos por encima y por debajo de 1 ft3/m e interpolar el valor de cada una de las propiedades a un flujo constante de 1 ft3 /m, de esta manera se asegura que el tamaño de la celda de la espuma sea similar.. 39.

(40) IQ-2002-2-20. GRAFICA ELONGACION VS FLUJO DE AIRE 1.6 PARTES AGUA 290 285 280 275 270 265. % ELONGACION. 260 255 250 INDICE 75. 245. Serie3 240 235 230 225 220 215 210 205 200 0,5. 0,6. 0,7. 0,8. 0,9. 1. 1,1. 1,2. FLUJO DE AIRE(SCFM). Por ejemplo, al evaluar el porcentaje de elongación en el punto 75 - 1.6, el procedimiento realizado fue graficar los valores obtenidos para esta propiedad en para los tres cojines elaborados en esta corrida, y posteriormente interpolar sobre la curva el porcentaje de elongación. Además, realizaron 4 repeticiones de la corrida 5 ( 85, 1.3) para determinar el error experimental. Factores Factor A. Factor B. Niveles 75 85 95 1 1.3 1.6. Tabla 4 Factores y niveles. 40.

(41) IQ-2002-2-20. 3.4 Resultados. 75. 1 2 3 4 5 6 7. 85. 1 2 3 4 5 6 7. 95. 1 2 3 4 5 6 7. 1 57.75 40 140 212 64.92 15.75 0.262 1 76.55 54.85 210 135.58 15 16.5 0.2821 1 74 108.4 281.316 92 7.5 18 0.34. 1,3 65 35 140.65 285 63.3 15.8 0.27 1,3 80 82.7 210.987 230 6.5 16.5 0.2907 1,3 89 100 281.316 107 3.68 19.25 0.33. 1,6 76.65 41.35 140.65 242.5 68.93 16.25 0.3 1,6 85 75.53 210 150.6 20 16.8 0.332 1,6 110 77.5 330 87.75 7.5 19.75 0.415. 1 = Tensión 2 = IFD 25 % 3 = Dureza 4 = Elongación 5 = Compresión set 6= resiliencia 7= Desgarre. Tabla 5 Resultados obtenidos mediante interpolación a flujo de aire igual a 1. 41.

(42) IQ-2002-2-20. Capitulo 4 Resultados Estadísticos.. El análisis estadístico del conjunto de datos, se realiza por medio del programa de estadística Minitab V 13. 4.1 Consideraciones Generales. 4.1.1 Supuestos • •. Los residuos se distribuyen normalmente con media igual a cero µ = 0 y desviación sigma σ Las interacciones de segundo grado entre factores no son significativas en los modelos de predicción planteados. 4.1.2 Modelo Matemático Modelo : Yij = µ + τ i+β β j +τ τ 2i+β β 2 j + E ij. Donde, Yij = Respuesta, es decir cada una de las propiedades mecánicas evaluadas µ = media general τi = efecto del i-esimo nivel del factor A β j = efecto del j-esimo nivel del factor B Eij = error ≈ N (0, σ ). 4.1.3 Planteamiento de Hipótesis •. Hipótesis nula Ho: Todos los tratamientos dan la misma respuesta T1= T2 = Ta =0. •. Hipótesis alterna: Ha: Ti. 0, para al menos un i. 42.

(43) IQ-2002-2-20. 4.1.4 Nivel de Significancia. El procedimiento general en la evaluación de una hipótesis, es especificar un valor para la probabilidad del error tipo I o α, también llamado nivel de significancía del test •. Error de tipo I : es la probabilidad de rechazar la hipótesis nula, cuando es cierta α = P ( rechazar Ho  Ho es verdadera). Para la realización de este estudio se escogió nivel de significancia del 5 % α = 0.05 , para evaluar las hipótesis planteadas. 4.2 Análisis Anova de las Propiedades. FACTOR. FD. SS. MS. F. F TABULADO. INDICE. 2. 909,19. 454,59. 537,79. 9,55. AGUA. 2. 676,8. 338,4. 400,33. 9,55. INDICE * AGUA. 4. 195,13. 48,78. 57,71. 9,12. ERROR. 3. TOTAL. 11. 0,84529636 1781,12. Tabla 6 Análisis Anova para Resistencia a la Tensión. FACTOR. FD. SS. MS. F. F TABULADO. INDICE. 2. 37175,6. 18587,8. 22,51. 9,55. AGUA. 2. 523,5. 261,8. 0,32. 9,55. INDICE * AGUA. 4. 1057,5. 264,4. 0,32. 9,12. ERROR. 3. TOTAL. 11. 825,774938. Tabla 7 Análisis Anova para Dureza. 43.

(44) IQ-2002-2-20. FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA ERROR TOTAL. FD 2 2 4 3 11. SS 34166 6100 1941. MS 17083 3050 485 138,579984. F 123,27 22,01 3,50. F TABULADO 9,55 9,55 9,12. Tabla 8 Análisis Anova para % de Elongación. FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA ERROR. FD 2 2 4 3. TOTAL. 11. SS 6288,8 89,1 30,6. MS 3144,4 44,6 7,6 5,23723225. F 600,39 8,52 1,45. F TABULADO 9,55 9,55 9,12. Tabla 9 Análisis Anova para Compresión Set (Deformación Permanente ). FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA ERROR. FD 2 2 4 3. TOTAL. 11. SS 15,6089 1,0839 0,7528. MS 7,8044 0,5419 0,1882 0,05997601. F 130,13 9,04 3,14. F TABULADO 9,55 9,55 9,12. Tabla 10 Análisis Anova para Resiliencia. FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA ERROR TOTAL. FD 2 2 4 3 11. SS 4823 92,4 858,8. MS 2411,5 46,2 214,7 57,562569. F 41,89 0,80 3,73. F TABULADO 9,55 9,55 9,12. Tabla 11 Análisis Anova para IFD 25 %. FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA ERROR. FD 2 2 4 3. TOTAL. 11. SS 0,011309 0,0056677 0,0008748. 44. MS 0,005645 0,0028339 0,0002187 1,5E-06. F 3763,33 1889,26 145,80. F TABULADO 9,55 9,55 9,12.

(45) IQ-2002-2-20. Tabla 12 Análisis Anova Desgarre. 45.

(46) IQ-2002-2-20. 4.3 Análisis Regresión. Se evalúa un factor de correlación R2 entre las propiedades medidas y las propiedades predecidas superior 0.85 El nivel de significancia de las variables, y el ajuste del modelo de regresión fue evaluado al 95 %. Regression Analysis: DUREZA versus INDICE, INDICE ^2 The regression equation is DUREZA = 168 - 6.9 INDICE + 0.087 INDICE ^2 Predictor Constant INDICE INDICE ^. Coef 168.3 -6.87 0.0866. S = 16.23. SE Coef 823.6 19.52 0.1148. R-Sq = 95.9%. T 0.20 -0.35 0.75. P 0.845 0.737 0.479. R-Sq(adj) = 94.6%. Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total Source INDICE INDICE ^. DF 2 6 8. DF 1 1. SS 37176 1581 38757. MS 18588 264. Seq SS 37026 150. Tabla 13 Análisis de Regresión para dureza. 46. F 70.54. P 0.000.

(47) IQ-2002-2-20. Regression Analysis: ELONGACION versus INDICE, INDICE ^2, AGUA, AGUA^2 The regression equation is ELONGACION = - 267 - 5.8 INDICE - 0.010 INDICE ^2 + 1581 AGUA - 599 AGUA^2 Predictor Constant INDICE INDICE ^ AGUA AGUA^2. Coef -267 -5.81 -0.0102 1580.9 -599.2. S = 22.03. SE Coef 1153 26.50 0.1558 451.0 173.1. R-Sq = 95.4%. T -0.23 -0.22 -0.07 3.51 -3.46. P 0.829 0.837 0.951 0.025 0.026. R-Sq(adj) = 90.8%. Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total Source INDICE INDICE ^ AGUA AGUA^2. DF 4 4 8. DF 1 1 1 1. SS 40266 1941 42207. MS 10067 485. F 20.75. P 0.006. Seq SS 34164 2 284 5817 Tabla 14 Análisis de Regresión para % de elongación. Regression Analysis: COMPRESION versus INDICE, INDICE ^2 The regression equation is COMPRESION = 1866 - 40.6 INDICE + 0.221 INDICE ^2 Predictor Constant INDICE INDICE ^. Coef 1866.2 -40.610 0.22138. S = 4.466. SE Coef 226.6 5.372 0.03158. R-Sq = 98.1%. T 8.23 -7.56 7.01. P 0.000 0.000 0.000. R-Sq(adj) = 97.5%. Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total Source INDICE INDICE ^. DF 1 1. DF 2 6 8. SS 6288.8 119.7 6408.5. MS 3144.4 19.9. F 157.62. P 0.000. Seq SS 5308.6 980.2. Tabla 15 Análisis de Regresión para Compresión Set ( Deformación Permanente). 47.

(48) IQ-2002-2-20. Regression Analysis: RESILIENCIA versus INDICE, INDICE ^2 The regression equation is RESILIENCIA = 66.2 - 1.32 INDICE + 0.00867 INDICE ^2 Predictor Constant INDICE INDICE ^. Coef 66.18 -1.3200 0.008667. S = 0.5533. SE Coef 28.07 0.6655 0.003912. R-Sq = 89.5%. T 2.36 -1.98 2.22. P 0.056 0.095 0.069. R-Sq(adj) = 86.0%. Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total Source INDICE INDICE ^. DF 2 6 8. DF 1 1. SS 15.6089 1.8367 17.4456. MS 7.8044 0.3061. F 25.50. P 0.001. Seq SS 14.1067 1.5022. Tabla 16 Análisis de Regresión para Resiliencia. Regression Analysis: IFD 25 % versus INDICE, INDICE ^2. The regression equation is IFD 25 % = - 457 + 9.6 INDICE - 0.0399 INDICE ^2 Predictor Constant INDICE INDICE ^. Coef -457.1 9.60 -0.03985. S = 12.59. SE Coef 638.8 15.14 0.08903. R-Sq = 83.5%. T -0.72 0.63 -0.45. P 0.501 0.550 0.670. R-Sq(adj) = 78.0%. Analysis of Variance Source Regression Residual Error Total Source INDICE INDICE ^. DF 1 1. DF 2 6 8. SS 4823.0 951.2 5774.1. MS 2411.5 158.5. F 15.21. Seq SS 4791.2 31.8. Tabla 17 Análisis de Regresión para IFD 25 %. 48. P 0.004.

(49) IQ-2002-2-20. Capitulo 5 Análisis de Resultados.. 5.1 Desgarre Ho : Todos los tratamientos dan la misma resistencia al desgarre τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos dan la misma resistencia al desgarre τi. FACTOR. 0, para al menos un i. F F TABULADO 3763,33 9,55 1889,26 9,55. INDICE AGUA INDICE * AGUA. 145,80. 9,12. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos que tanto f. índice. como f. agua. y f interacción > f tabulado , de lo que se concluye que tanto la variación del agua como la del índice y la interacción entre estas, son significativas a la hora de explicar la variación en la resistencia al desgarre.. 0.40. 0.35. DESGARRE 0.30 95 0.25. 85 1.0. 1.1. 1.2. AGUA. 1.3. 1.4. 1.5. 49. 75 1.6. INDICE.

(50) IQ-2002-2-20. Ilustración 8 Desgarre en función del contenido de agua y el índice. 5.2 DUREZA Ho : Todos los tratamientos dan la misma dureza τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos dan la misma dureza τi. FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA. 0, para al menos un i. F F TABULADO 22,51 9,55 0,32 9,55 0,32 9,12. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos que f índice > f f interacción < f. tabulado,. tabulado,. f. agua. y. por tanto se puede concluir que la variación del índice es la. variable más significativa a la hora de explicar la variación de la dureza.. El comportamiento se aproxima, mediante el siguiente modelo de regresión: DUREZA = 168 - 6.9 INDICE + 0.087 INDICE. 2. Luego si lo que se busca es maximizar esta propiedad, encontramos que el procedimiento a seguir seria incrementar el índice de isocianato. No obstante, es importante tener en cuenta que las espumas obtenidas, se encuentran dentro del rango máximo de dureza establecido para este tipo de espuma.. 50.

(51) IQ-2002-2-20. 350. 250. DUREZA 95. 150 85 1.0. 1.1. 1.2. AGUA. 1.3. 1.4. 1.5. INDICE. 75 1.6. Ilustración 9 Dureza en función del contenido de agua y el índice. 5.3 IFD 25 % Ho : Todos los tratamientos tiene el mismo modulo de perdida (IFD 25%) τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos tienen el mismo modulo de perdida(IFD 25%) τi un i FACTOR INDICE AGUA INDICE * AGUA. F F TABULADO 41,89 9,55 0,80 9,55 3,73 9,12. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos que f índice > f f interacción < f. tabulado,. 0, para al menos. tabulado,. f. agua. y. lo que indica que la influencia del índice en la variación del. modulo de perdida, es más significativa que la del agua y la interacción.. 51.

(52) IQ-2002-2-20. Luego la variación en el modulo de perdida se puede aproximar, mediante el siguiente modelo de regresión: IFD 25 % = - 457 + 9.6 INDICE - 0.0399 INDICE ^2. 110 100 90 80. IFD 25 %. 70 60 50 40. 95. 30. 85 1.0. 1.1. 1.2. AGUA. 1.3. 1.4. 1.5. INDICE. 75 1.6. Ilustración 10 IFD 25% en función del contenido de agua y el índice. 52.

(53) IQ-2002-2-20. 5.4 ELONGACION Ho : Todos los tratamientos presentan el mismo % elongación τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos presentan el mismo % elongación τi. FACTOR INDICE AGUA. F 123,27 22,01. F TABULADO 9,55 9,55. INDICE * AGUA. 3,50. 9,12. 0, para al menos un i. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos que f índice y f y f. interacción. <f. tabulado,. agua. >f. tabulado,. lo que indica que la tanto la variación del índice, como la. variación del agua son significativas en el comportamiento del porcentaje de elongación. La variación en el porcentaje de elongación se puede aproximar, mediante el siguiente modelo de regresión: ELONGACION = - 267 - 5.8 INDICE + 1581 AGUA - 599 AGUA2 - 0.010 INDICE 2. De donde se observa que al incrementar el índice y el contenido de agua, el porcentaje de elongación disminuye, debido a que la estructura de la espuma se vuelve más rígida.. 53.

(54) IQ-2002-2-20. 300. 200. ELONGACION 100 75. INDICE. 1.0. 85. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. AGUA. 95. Ilustración 11 Elongación en función del contenido de agua y el índice. 5.5 COMPRESION SET (DEFORMACIÓN PERMANENTE) Ho : Todos los tratamientos presentan el mismo % deformación τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos presentan el mismo % deformación τi. FACTOR INDICE AGUA. F F TABULADO 600,39 9,55 8,52 9,55 1,45. INDICE * AGUA. 54. 9,12. 0, para al menos un i.

(55) IQ-2002-2-20. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos f que f agua y f interacción < f. tabulado ,. índice. >f. tabulado. mientras. de donde se concluye que la variación del agua y. la interacción entre la variación del agua y el índice, no son significativas, ala hora de explicar lo que indica que la influencia del índice en la variación del porcentaje de deformación.. Por tanto, la variación en el porcentaje de deformación se puede aproximar, mediante el siguiente modelo de regresión:. COMPRESION = 1866 - 40.6 INDICE + 0.221 INDICE ^2. 70 60 50 40. COMPRESION. 30 20 10 0 75. INDICE. 1.0. 85. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. AGUA. 95. Ilustración 12 Compresion set en función del contenido de agua y el índice. 55.

(56) IQ-2002-2-20. 5.6 RESILIENCIA Ho : Todos los tratamientos presentan el mismo % de resiliencia τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos presentan el mismo % de resiliencia τi FACTOR INDICE AGUA. F 130,13 9,04. F TABULADO 9,55 9,55. INDICE * AGUA. 3,14. 9,12. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos f que f agua y f interacción < f. tabulado ,. 0, para al menos un i. índice. >f. tabulado. mientras. de donde se concluye que la variación del agua y. la interacción entre la variación del agua y el índice, no son significativas, ala hora de explicar la variación en el porcentaje de resiliencia. Con base en los anterior, se establece el siguiente modelo de regresión: RESILIENCIA = 66.2 - 1.32 INDICE + 0.00867 INDICE ^2. 20 19 18. RESILIENCIA 17 95. 16 85 1.0. 1.1. 1.2. AGUA. 1.3. 1.4. 1.5. INDICE. 75 1.6. Ilustración 13 Resiliencia en función del contenido de agua y el índice. 56.

(57) IQ-2002-2-20. 5.7 TENSION Ho : Todos los tratamientos presentan la misma resistencia a la tensión τ1= τ2 = τa =0 Ha : No Todos los tratamientos presentan la resistencia a la tensión τi. INDICE AGUA. FACTOR. F 537,79 400,33. F TABULADO 9,55 9,55. INDICE * AGUA. 57,71. 9,12. 0, para al menos un i. Si comparamos los valores de f obtenidos observamos f índice > f. tabulado. al igual que. f agua y f interacción, lo que indica que la variación de cada uno de estos factores y su interacción, es significativa a la hora de explicar la variación de la resistencia a la tensión.. 110 100 90. TENSION. 80 70 95. 60 85 1.0. 1.1. 1.2. AGUA. 1.3. 1.4. 1.5. INDICE. 75 1.6. Ilustración 14 Tensión en función de la cantidad de agua y el índice. 57.

(58) IQ-2002-2-20. Capitulo 6 Conclusiones. 1. Formulaciones con bajo índice son típicamente utilizadas para fomentar la baja resiliencia, y conseguir altos niveles de suavidad y conformabilidad. Sin embargo al evaluar propiedades mecánicas tales como: el porcentaje de deformación permanente (compresión set) encontramos que este valor se incrementa a medida que el indice disminuye, lo cual implica que bajo carga el material va a deformarse completamente. Por tanto es necesario establecer un balance entre el índice y la cantidad de agua que garantize que la espuma de baja resiliencia tenga un buen desempeño mecánico y recupere su forma original. 2. En estudios posteriores es necesario realizar al menos una repetición de todas las corridas propuestas, con el fin de garantizar el supuesto de normalidad de los residuos, y aumentar el numero de grados de libertad del error. 3. Es necesario considerar la posibilidad de evaluar la resiliencia, por medio de otros métodos, ya que el “ball rebound test “ no refleja suficientemente la lenta recuperación de la espuma. Experimentalmente, se obtienen espumas con un mismo porcentaje de resiliencia, y una recuperación al tacto distinta. Un método adecuado podría ser el desarrollado por Dow Europa, usado por S Kintrup en el desarrollo de un estudio de espuma flexible viscoelastica 29. 29. S Kintrup et all. 58.

(59) IQ-2002-2-20. Glosario.. A ADITIVO : Es un material usado para modificar las propiedades, el procesamiento o el uso final de un polímero base. La cantidad de aditivo usada es usualmente expresada en partes por cien partes de poliol. AIR FLOW: (Flujo de aire) Pies cúbicos por minuto de aire que pueden atravesar una sección de espuma de 2” * 2” * 1” a 5 Pulgadas de agua de presión. AGENTE SOPLANTE: Un gas, o una sustancia capaz de producir gas, usado la fabricación de materiales espumados. AGENTE SOPLANTE EXTERNO: Es un liquido de bajo punto de ebullición que se agrega para ayudar en el proceso de soplado, mediante la generación de gas adicional, al generado mediante la reacción de isocianato-agua. C CATALIZADOR : Una sustancia que cambia la velocidad de reacción de una reacción química, ya que disminuye la energía de activación necesaria para que esta se lleve a cabo. CELDA : Es un pequeño compartimiento o espacio encerrado, presente en las espumas, como resultado de la introducción y expansión de burbujas de gas en los líquidos reactantes. CELDA CERRADA: es una estructura de la espuma en la cual cada celda individual tiene intacta la membrana y por tanto no deja pasar el flujo de aire. COMPRESIÓN SET: Es una medida de la deformación de la espuma después de ser comprimida bajo condiciones de tiempo y temperatura controladas. Las condiciones estándar son 22 horas a 70 º C. En el test, la espuma es comprimida a un determinado porcentaje de su espesor original. D. DENSIDAD: es el peso por unidad de volumen de espuma normalmente expresada en Kilogramos por metro cúbico (Kg /m3). 59.

(60) IQ-2002-2-20. DIISOCIANATO: Compuesto que contiene dos grupos isocianato por molécula. Una clase de monómeros usados en la preparación de poliuretanos. DOMINIO: región en una matriz polimérica que contiene estructuras moleculares similares. E. ELONGACION : porcentaje de la longitud original que una muestra estándar de espuma se estira antes del ser alcanzado el punto de ruptura EO: Abreviación de oxido de etileno ( etileno oxide). I. ISOCIANATO: Un grupo químico reactivo compuesto de un átomo de nitrógeno enlazado a un átomo de carbono enlazado a un átomo de oxigeno ( -N=C=O-); Un compuesto químico, usualmente contiene uno o más grupos isocianatos. INDICE DE ISOCIANATO: El radio de equivalentes de poliol ( lado A) y el lado B (isocianato). La cantidad relativa de isocianato usado es comparada con los requerimientos teóricos. Un índice de 100 indica que se usa la cantidad exacta de isocianato necesaria para reaccionar con todos los compuestos que poseen hidrógenos activos. La Espuma Flexible de Poliuretano es un material celular producido por la reacción de un poliol con un poli-isocianato orgánico, en la presencia de agua que puede incluir catalizadores, agentes activos de superficie, agentes sopladores auxiliares, rellenos plastificantes, colorantes y otros aditivos que no afecten adversamente las propiedades de la espuma.30. 30. ICONTEC. 60.

(61) IQ-2002-2-20. Bibliografía.. 1. Stan Hager, Skorpenske Richard, Triouleyre Sebastien and Joulak Faouzi, New Technology for Viscoelastic Foam, Polyurethanes World Congress 2000. 2. Thomas Oomman, Priester Ralph D, Hinze Ken and Latham Dwight, Effect of Cross-link Density on the Morphology, Thermal and Mechanical Propierties of Fexible Molded Polyurea/Urethane Foams and Films, Journal of Polymer Science, Vol 32, pag 2115-2169, 1994. 3. Sonal Desai, I.M. Thakore, B.D. Sarawade and Sureka Devi, Effect of polyols and diisocianates on thermal-mechanical and morphological properties of polyurethanes, European Polymer J 4. ICONTEC, Norma Colombiana 2019, Plásticos: Espumas Flexibles de Poliuretano, 1985 5. Herrington, R and Hock, K, Flexible Polyurethane ,Dow Chemical Co, Midland, Ml, 1991 6. D. V. Dounis and G. L. Wilkes, “Effect of Toluene Diisocyanate Index on Morphology and Physical Properties of Flexible Slabstock Polyurethane Foams”, J. Appl. Polym. Sci., 66, 2395-2408, (1997). 7. A.M. Sarpeshkar and P.H. Markusch, New Energy - Absorbing Polyurethanes,Polyurethanes World Congress 1993, pag 347-352,October 1993 8. M.KAGEOKA, K.INAOKA, T.KUMANI, Y.TAIRAKA, Low Resilience polyurethane Slabstock Foam with Microphase Separated Morphology, Polyurethanes Expo ´98, September 17-20, 1998 9. WILKES, Garth, Polymer Science & Technology: an Interdisciplinary Approach, Part II: Physical aspects of Polymers, 1978 10. R. G. Skorpenske, R. Solis, R.A. Kuklies, A.K. Schork, and R.B. Turner, 34th Annual Polyurethane Technical/marketing Conference, October 1992. 61.

(62) IQ-2002-2-20. Apendice 1 Resultados Experimentales. 62.

(63)