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1
UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR
FACULTAD DE INGENIERÍA
GUATEMALA, GUATEMALA C.A.
“PROPUESTA DE MATRICES DE UN POLÍMERO EPÓXICO PARA LA
ELABORACIÓN DE MOLDES VULCANIZADOS DE SILICÓN HTV COMO
SUSTITUTO DE MATRICES DE ALUMINIO, EN UNA INDUSTRIA DE VELAS
AROMÁTICAS”
Tesis Presentada Por:
ANA HELEN FRANCO ARROYO
Para optar al Título de:
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
Septiembre del 2004.
2
AGRADEDIMIENTOS
A DIOS:
Por ser mi inspiración y por regalarme una vida llena de bendiciones.
A MIS PADRES:
Sin ellos sería imposible haber logrado mis sueños y por haberme formado como una
persona con buenos principios y valores. Gracias por su esfuerzo y amor. Los quiero
mucho.
A MI HERMANA:
Por ser mi compañera en todo momento, por su cariño, apoyo y nobleza. Te quiero mucho
Andrea.
A MIS AMIGOS:
Por haber compartido parte importante de nuestra vida en estos años de estudio. Gracias
Wendy, Sheila, Samuel, Lucita, Carmen.
EN ESPECIAL:
Al Ingeniero Harry Oxom por su valiosa ayuda en la realización de la presente
investigación. A mi asesor Ingeniero Alejandro Hidalgo por su guía y motivación.
3
ÍNDICE
RESUMEN I
MARCO UNO: INTRODUCCIÓN 2
1.1. INTRODUCCIÓN 2
1.2. LO ESCRITO SOBRE EL TEMA EN GUATEMALA 3
1.3. MARCO TEORICO 4
1.3.1 TERMINOLOGÍA DE MOLDES 4
Molde, Moldes Flexibles, Moldeo por compresión 4
La matriz 5
1.3.2 TRANSFERENCIA DE CALOR 7
Naturaleza del flujo de calor 7
Conducción, convección y radiación 7
1.3.3. MATERIAL A SUSTITUIR: ALUMINIO 8
Propiedades del aluminio 9
Aleaciones ligeras 9
El enlace metálico 10
Estructura de los metales 11
Conductividad térmica en los metales 11
1.3.4 POLÍMEROS 13
1.3.4.1 ¿Qué son los polímeros? 13
1.3.4.2 Clasificación de los polímeros según su comportamiento con la temperatura 14
1.3.4.3 Polímeros termoestables 15
Formación de polímeros termoestables 15
Estructura de los termoestables 19
Propiedades de los termoestables 19
Aplicaciones 20
1.3.4.4 La cristalinidad en polímeros 21
1.3.4.5 Propiedades térmicas de los polímeros 22
Relación entre estructura y propiedades térmicas 22
Propiedades mecánicas 22
Resistencia 25
Elongación 25
1.3.4.6 Aditivos utilizados en plásticos 27
1.3.4.7 Silicones 29
Métodos de obtención de los silicones 30
Propiedades útiles de los silicones 33
4
Tipos de silicones 33
1.3.4.8 Resinas Epoxi 35
Propiedades de los epóxicos 35
1.3.5 PROCESOS
1.3.5.1 Diagramas de Flujos 36
1.3.5.2 Proceso de fabricación de una matriz de aluminio 37
1.3.5.3 Ensamblar moldes para vulcanizar 37
1.3.5.4 Máquina vulcanizadora 37
1.3.5.5 Vulcanizar 37
MARCO DOS : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 38
INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA 38
2.1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 39
2.1.1 OBJETIVO GENERAL 39
2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 39
2.2 HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN 40
2.3 VARIABLES 41
2.4 DEFINICIÓN DE VARIABLES 41
2.5 ALCANCES, LÍMITES Y LIMITACIONES 42
2.6 APORTES 43
MARCO TRES: MÉTODO 44
3.1 SUJETOS Y UNIDADES DE ANÁLISIS 44
3.2 INSTRUMENTOS 44
3.3 PROCEDIMIENTO 46
MARCO CUATRO: RESULTADOS 47
4.1 MEDICIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN 47
4.1.1 ANÁLISIS DE TRANFERENCIA DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA 47
4.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS DE LA MÁQUINA 48
4.1.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LA MATRIZ DE ALUMINIO 48
4.2 ELECCIÓN DEL EPÓXICO QUE SUSTITUIRÍA AL ALUMINIO 48
4.2.1 FABRICACIÓN DE LA MATRIZ EXPERIMENTAL DEL EPÓXICO 48
4.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN CONDICONES NORMALES EPÓXICO 50
4.4 MEDICIONES DE APOYO A LA INVESTIGACIÓN 50
4.4.1 MEDICIÓN DE PUNTOS DE FUSIÓN PARAFINAS 50
4.4.2 PRUEBA DE LA LLAMA PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL SILICÓN HTV 50
4.5 ANÁLISIS DE COSTOS 50
5
MARCO CINCO: DISCUSIÓN 53
5.1 CONCLUSIONES 54
5.2 RECOMENDACIONES 55
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 56
ANEXOS 58
ANEXO 1: PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL ALUMINIO PURO 58
ANEXO 2: REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS 59
ANEXO 3: DATOS TÉCNICOS DEL SILICÓN HTV 61
ANEXO 4: DIAGRAMA DE INTERACCIÓN DE LA EMPRESA 62
ANEXO 5: DIAGRAMAS DE FLUJO PRODUCCIÓN MOLDES 63
A. PROCESO GENERAL DE FABRICACIÓN 63
B. PROCESO DE FABRICACIÓN DE MATRIZ ALUMINIO (PROVEEDOR) 63
C. PROCESO DE LA MATRIZ PROPUESTA DE EPÓXICO 64
D. PROCESO DE VULCANIZADO DE MOLDES DE SILICÓN HTV 65
ANEXO 6: PROCESO FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO 66
ANEXO 7: ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR 67
ANEXO 8: VULCANIZADORA 68
ANEXO 9: VULCANIZAR 71
ANEXO 10: ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA 74
ANEXO 11: MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS MÁQUINA 75
ANEXO 12: DIAGRAMA DE DIMENSIONES DE LAS MATRICES Y DE PUNTOS
DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA 77
ANEXO 13: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO 78
ANEXO 14: GRÁFICA DE LOS DATOS DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA
MATRIZ DE ALUMINIO 80
ANEXO 15: DATOS TÉCNICOS DEL EPÓXICO 81
ANEXO 16: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO 83
ANEXO 14: GRÁFICA DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO 85
ANEXO 18: MEDICIONES DE PUNTO DE FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR 86
ANEXO 19: RESULTADO PRUEBA DE LA LLAMA PARA EL SILICÓN HTV 87
ANEXO 20: ANÁLISIS DE COSTOS 88
ANEXO 21: GLOSARIO 89
6
RESUMEN
El presente es un trabajo de investigación está enfocado al área experimental, en donde por medio
de un estudio detallado de un proceso específico; se buscó dar solución a un problema que existe
en una empresa manufacturera de velas aromáticas. Como todo proceso de fabricación tiene el
inicio en una idea original e innovadora: en base al diseño de nuevos estilos de velas se determinó
la necesidad de montar una fábrica de moldes dentro de la misma empresa, debido a que sin
molde no hay vela (para formas específicas y el proceso de producción de la empresa, aunque
existen otros procedimientos de fabricación de vela que no necesitan molde pero no aplican al caso
del presente estudio, procesos tales como extrucción de velas y fabricación por inmersión de
pabilos) y por los altos volúmenes de ventas fue necesario implementar un sistema en donde se
pudiera tener esta variable de producción bajo control. Los moldes utilizados para la fabricación de
velas deben tener varias propiedades especiales como maleabilidad, por ser las parafinas materiales
muy sensibles y fáciles de dañar; resistencia a altas temperaturas, porque las temperaturas de
llenado son altas por las características fisicoquímicas del material y sobre todo deben ser moldes
estables e inertes a las velas. No debe existir ningún tipo de contaminación de las velas que afecte
el quemado de las mismas ya que para poder mantenerse en un mercado exigente y controlado
deben llenarse los requisitos necesarios. Por todo esto que surgió la idea de tener bajo control la
variable de fabricación de las matrices con un material sencillo de utilizar y que cumpliera las
mismas especificaciones y condiciones de operación que las de aluminio, debido a que el proceso
de fabricación de moldes de silicón HTV que tiene que ser el material necesario para cumplir los
requerimientos del molde según lo anteriormente expuesto; para ello dicho material debe de
someterse a un proceso llamado vulcanizado que es un tratamiento térmico bajo altas
temperaturas y presión para estabilizar al silicón y darle las propiedades necesarias requeridas para
un molde que no afecte en nada a la vela.
Aunque el resultado adquirido en la presente investigación no es el que se esperaba, se comprobó
que el plástico propuesto no llenaba las condiciones necesarias para reducir costos de dicho
proceso, pero se pudieron comprobar las principales razones de peso para llegar a la conclusión.
Entre los aportes que se esperan dejar con el trabajo es conocer más a detalle la química del
proceso de vulcanizado o curado de plásticos de ingeniería, para documentación en investigaciones
posteriores.
7
MARCO UNO: INTRODUCCIÓN
1.1 INTRODUCCIÓN
Con el propósito de aportar beneficios en una empresa de velas aromáticas, con respecto a la
fabricación de moldes por medio del proceso de vulcanización de silicón htv, sustituyendo las
matrices actualmente utilizadas de aluminio por las de epóxicos que es un polímero capaz de
cumplir con las especificaciones y propiedades muy similares al metal anteriormente mencionado.
Es por eso que mediante la investigación experimental se tratará de comprobar si es, o no, factible.
La fabricación de moldes para veladoras de silicón HTV, el cual es un polímero altamente estable,
inerte y maleable, debe ser sometido a un proceso de vulcanizado o curado para que sus
propiedades fisicoquímicas sean aptas para el uso al que están destinados. La vulcanización hace
que los enlaces del polímero sean más fuertes y estables haciendo que el material soporte altas
temperaturas después de su curado, ideales para la producción del producto.
Las matrices alumínicas son aptas para las máquinas vulcanizadoras que están diseñadas para
poder utilizarlas, al sustituir las matrices alumínicas por epóxicas se lograrán varios beneficios,
entre ellos, mejorar el proceso de fabricación de moldes dentro de la empresa de velas aromáticas
al ser los fabricantes de las matrices cuidando así los diseños exclusivos para clientes específicos.
Además no se dependerá más de un proveedor teniendo la variable de control bajo el dominio de la
empresa, también se tendrá otra opción de material utilizado de una forma práctica y fácil para
dichas máquinas, y los costos serán reducidos considerablemente.
Es por estas razones que por medio de la introducción de equipo, tecnología y procesos nunca
antes empleados en la fabricación de moldes de la velas se pretende revolucionar totalmente el
procedimiento para brindar productos que satisfagan las necesidades del mercado actual que
permanece en cambio constantes, asegurando la calidad de los mismos.
8
1.2 . LO ESCRITO SOBRE EL TEMA EN GUATEMALA
Guatemala es un país en donde la industria no ha logrado un desarrollo comparativamente grande
en relación a países con economías fuertes como México y a puertas de un tratado de libre
comercio con Estados Unidos en donde se abrirán las fronteras y la competencia será mayor; a la
vez podría aprovecharse este tratado para entrar a competir. La industria de las velas aromáticas
para la exportación tiene un mercado creciente que podría aprovecharse bajo estas circunstancias
para seguir creciendo. Por estas razones será la primera vez en Guatemala que se probará dicha
sustitución; además de ser un problema específico de la industria de veladoras y las condiciones
dentro de la fábrica de moldes ya que actualmente será la primera vez que se desarrollarán dichas
pruebas experimentales.
Es de gran importancia aplicar técnicas de ingeniería química en solucionar un problema en donde
se integran aspectos de resistencias de materiales, fisicoquímica, transferencia de calor por el
proceso de vulcanizado y además aspectos de reducción de costos del proceso.
No se ha encontrado ningún trabajo anterior vinculado con el tema, por ser un proceso específico
para la industria de velas. Solamente existen estudios de factibilidad de creación de fábricas de
velas, se encontró un proyecto de purificación de parafina de desperdicio en un planta
manufacturera de candelas; pero no presenta información relacionada directamente con la
fabricación de moldes para velas.
9
1.3. MARCO TEÓRICO
1.3.1 TERMINOLOGÍA DE MOLDES
Wordingham y Reboul (1970) escribieron acerca de la terminología comúnmente utilizada en la
industria de fabricación de moldes, que a continuación se describe para familiarizarse con el tema.
Molde: Cavidad o hueco, dentro del cual se coloca un material o fluido plástico y del cual recibe
su forma correspondiente.
Moldes Flexibles: Son moldes flexibles o compresibles hechos de elastómeros, termoplásticos o
gelatinas aglutinadas. Estos son convenientes para fundir algunos otros plásticos, pastas o ceras.
Moldeo: Acción de dar forma a los componentes plásticos, usualmente bajo presión y/o calor.
Moldeo por compresión: Es un proceso de moldeo, confinado actualmente casi exclusivamente
a los materiales plásticos termoestables. Consiste en colocar una cantidad de material de moldeo
en la cavidad inferior de un molde, haciendo depresión en la cavidad superior y sometiendo el
material de moldeo a presión y calor; esto causa que el material fluya y adopte la forma del molde.
La cantidad de material de moldeo requerida para la producción de un objeto dado terminado se
determina previamente y se le pesa cuidadosamente. El molde es alimentado con material, ya sea
en forma de polvo liviano o más usualmente como perlas o tabletas o material preplastificación, y
generalmente es calentado. Cuando se trata de moldes grandes e intrincados es necesario, a
menudo , distribuir las perlas en varias partes del molde de manera de poder regular el flujo del
material y asegurar que la masa líquida llene todas las cavidades del molde. Para los moldes con
rebaba ( de los cuales es un buen ejemplo el moldeado por compresión) el peso del material
introducido en el molde es ligeramente superior al requerido para obtener el objeto terminado. En
los estados finales del moldeado este material extra es forzado a salir del molde por la unión entre
las dos mitades del molde y se lo recuece con el resto del material. Este exceso de material
(rebaba) se saca del moldeado terminado en la misma máquina de prensado, y la línea visible de la
rebaba sobre la superficie del moldeado se elimina por pulido entre cilindros giratorio o por
abrasión. Durante el proceso de moldeo las presiones en el molde son del orden de 1 a 2 toneladas
por pulgada cuadrada, mientras que las temperaturas el moldeo depende del material a utilizar.
10
La siguiente es una representación gráfica de una máquina vulcanizadora para la fabricación de
moldes en donde se indican las partes más importantes.
Figura No 1 Prensa Vertical hidráulica de la variedad “Downstroke” usada para moldeo por compresión
La matriz es una copia del objeto que se quiere reproducir.
El molde para vulcanizar esta compuesto por dos partes:
1. La Cavidad: comúnmente llamada “hembra” debe de llevar el mayor detalle posible ya
que es la que se va a estar reproduciendo posteriormente en producción.
2. El Casco: conocido también como “macho”, es la parte externa del molde y es el
responsable de darle la forma externa al molde final. El Ensamble del molde para
introducirlo a la vulcanizadora es uno de los procesos mas críticos de todos ya que si no se
ensambla correctamente se puede romper el molde.
11
Ésta debe de ser de un metal rígido para que pueda soportar las presiones a la cual va a estar
sometida y es generalmente de aleaciones de aluminio. Consta de dos partes dependiendo de la
forma del molde que se desea producir; una parte es conocida como cavidad, que muestra la forma
exterior o apariencia que tendrá la vela ya que es la que se va a estar reproduciendo
posteriormente, y la segunda parte es llamada comúnmente casco o hembra y es la cavidad en
donde conjunto con el macho da la forma del molde. La matriz debe tener una buena resolución
para que los moldes tengan diseños bien definidos con el objetivo de producir velas de buena
calidad además la distancia entre la cavidad y casco aproximadamente es de 0.5 pulg (1.27cm)
pero puede variar según el diseño del producto.
Figura No 2 Ejemplo de una matriz.
12
1.3.2. TRANSFERENCIA DE CALOR
Por ser un proceso en donde la transferencia de calor es esencial para llevarlo a cabo, es
importante revisar los mecanismos de transferencia de calor que ocurren dentro de éste. Valiente
(1990) define al Calor como una de las formas de transmitir la energía de un cuerpo a otro. Es la
transmisión de energía mediante una diferencia de temperatura.
Según Mc Cabe, Smith y Harriot (1991) :
Naturaleza del flujo de calor
Cuando dos objetos que están a temperatura diferente se ponen en contacto térmico, el calor fluye
desde el objeto de temperatura más elevada hacia la temperatura más baja. El flujo neto se
produce siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que fluye el
calor son tres: conducción, convección y radiación.
Conducción: Si existe un gradiante de temperatura en una sustancia el calor puede fluir sin que
tenga lugar un movimiento observable de la materia, esta es la conducción. En sólidos metálicos la
conducción del calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe una estrecha
relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. En los sólidos, que son malos
conductores de la electricidad, y en la mayor parte de los líquidos, la conducción del calor se debe
al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiante de
temperatura.
Convección: Cuando una corriente o una partícula macroscópica de fluido cruza una superficie
específica, tal como el límite de un volumen de control lleva consigo una determinada cantidad de
entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el nombre de flujo convectivo de valor o convección. Este es
un fenómeno macroscópico, solamente ocurre cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la
corriente de fluido y mantiene su movimiento frente a las fuerzas de fricción. La convección está
estrechamente relacionada con la mecánica de fluidos. De hecho, desde el punto de vista
termodinámico, la convección no es considerada como un flujo de calor sino cono una densidad de
flujo de entalpía.
Radiación: Transmisión de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si
la radiación para a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra forma de
energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material la radiación se transmitirá, reflejará o
absorberá. Solamente la energía absorbida es la que aparece como calor y esta transformación es
cuantitativa. Ejemplos son las pérdidas de calor desde una máquina, un radiador o una tubería no
aislada hacia el aire del ambiente de una habitación.
13
1.3.3. MATERIAL A SUSTITUIR :ALUMINIO
Condiciones operacionales necesarias utilizadas con las matrices alumínicas:
Temperatura 225 ± 5 °C (437± 41 °F)
Inerte a Silicón HTV
Resolución de copiado Alta
Resistencia mecánica 15000 lb fuerza
Altas temperaturas Por períodos largos de tiempo
Tabla No 1 Condiciones de operación necesarias
El aluminio es un metal puro encontrado en la naturaleza forma parte de los elementos básicos
químicos de la tabla periódica.
Para procesos industriales generalmente se utilizan aleaciones de este mismo material ya que
ellas le dan propiedades fisicoquímicas específicas. Las matrices que actualmente se utilizan
están fabricadas, según Tabla 2, de la siguiente forma:
ALUMINIO 1 ALUMINIO 2 ALUMINIO 3
ANÁLISIS QUÍMICO
Cu 0.15-0.40 0.05 Max 0.05-0.20
Fe 0.70 Max 0.40 Max 0.95 Si+ Fe Max
Mn 0.15 Max 0.05 Max 0.05 Max
Mg 0.8-1.2 0.05 Max 0.05 Max
Zn 0.25 Max 0.05 Max 0.10 Max
Cr 0.04-0.35 **** ****
Ti 0.15 Max 0.03 Max 0.03 Max
Si **** 0.25 max 0.95 Si+ Fe Max
Al **** 99.5 min 99.00 min
Otros **** 0.03 c/u 0.05 c/u 0.15 total
TRATAMIENTO TÉRMICO
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN 35000 psi **** ****
ELONGACIÓN 22 % **** ****
DUREZA BRINELL 65-95 **** ****
Tabla No 2 Propiedades fisicoquímicas de aluminio para matrices. Fuente: Hojas técnicas proveedores varios.
14
El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativa baja densidad (2.7 g/cc comparada con
7.9 g/cc del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en
algunos medios, incluyendo el atmosférico. A muchas de estas aleaciones se les puede dar formas
diferentes con facilidad debido a su elevada ductilidad. El aluminio tiene una estructura cúbica
centrada en las caras , su temperatura de fusión es de 660°C (1220°F). La resistencia mecánica del
aluminio se logra por acritud y aleaciones. Los principales elementos de aleación son el cobre,
magnesio, silicio y manganeso y zinc.
Propiedades del Aluminio
Debido que las aleaciones de cada una de las matrices varían según el proveedor que se utilizó, se
usarán las propiedades fisicoquímicas del aluminio puro (ver Anexo 1), encontradas en Perry, Green
y Maloney (1992).
El aluminio es un metal blanco brillante, que pulido semeja a la plata. Cristaliza en red cúbica
centrada en las caras (FCC). Su peso específico es igual a 2,699, es decir, casi 1/3 del hierro (7,87).
Su conductividad eléctrica es un 60% de la del cobre y 3,5 veces mayor que la del hierro. Su punto
de fusión es 660ºC y el de ebullición 2.450ºC. Este punto de fusión relativamente bajo, unido a su
punto de ebullición bastante alto facilita su fusión y moldeo.
La propiedad química más destacada del aluminio es su gran afinidad con el oxígeno, por lo que se
emplea entre otras cosas para la desoxidación de los baños de acero, para la soldadura alumino-
térmica (Al + Fe2O3), para la fabricación de explosivos, etc. A pesar de esto, y aunque parezca un
contrasentido, el aluminio es completamente inalterable en el aire, pues se recubre de una delgada
capa de óxido, de algunas centésimas de micra, que protege el resto de la masa de la oxidación.
Debido a esta película protectora, resiste también a la acción del vapor de agua, el ataque nítrico
concentrado y muchos otros compuestos químicos. En cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, el
clorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones salinas.
Aleaciones ligeras
Se denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen como elemento base o principal
el aluminio. Respecto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, cinc, níquel,
hierro, titanio, cromo y cobalto. Estos materiales pueden figurar en las aleaciones juntos o aislados.
En general, la proporción total en que forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del 15%.
15
Figura No 3 Arreglo molecular en una aleación de metales
Fuente: Shackelford (1995).
La característica principal de las aleaciones ligeras, es su bajo peso específico, que en algunas de
ellas llega a ser hasta de 1/3 del peso específico del acero. Y aún resulta más interesante la
relación de resistencia mecánica a peso específico, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la
más alta entre todos los metales y aleaciones conocidos.
El hierro y el silicio hacen las veces de elementos de aleación y aumentan la resistencia y la
utilidad del metal para muchos fines. El metal cuya pureza es de 99.0 a 99.3% se conoce con el
nombre de aluminio de pureza comercial y con esta clase de metal se fabrican artículos forjados
denominados “2S”.
Gracias a las aleaciones se obtiene la resistencia mecánica y dureza de los elementos agregados al
aluminio.
El enlace metálico
Según Shackelford (1995) en el enlace iónico intervienen una transferencia de electrones y es
adireccional. En el covalente es por medio de la distribución compartida de electrones y es
direccional. En el tercer tipo de enlace primario, el enlace metálico, intervienen una distribución
compartida de electrones pero es adireccional. En este caso se dice que los electrones de valencia
deslocalizados estén asociados con cualquiera de un gran número de átomos adyacentes. En los
metales característicos, esta deslocalización se relaciona con todo el material, lo que ocasiona una
nube de electrones o un gas de electrones como en la figura No 4. El “gas móvil ” es la base de la
alta conductividad eléctrica de los metales.
16
Figura No 4. Ejemplo de un enlace metálico con una nube de electrones. Se muestra un corte imaginario a través de la cara
frontal de la estructura cristalina del cobre, revelando núcleos de ion Cu2+ enlazados mediante iones de valencia
deslocalizados. Fuente: Shackelford (1995).
Estructura de los metales
La mayoría de los metales se encuentran en la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
Muchos materiales de ingeniería contienen cantidades significativas de componentes diferentes, las
aleaciones comerciales son un ejemplo, conocidas como soluciones sólidas en donde se mezclan
dos o más sustancias sólidas y una actúa en sustitución de la otra, para que ocurra esta mezcla
completa los metales deben ser muy similares como lo describe la regla de Hume-Rothery:
1. Menos de aproximadamente 15% de radio atómico
2. La misma estructura cristal
3. La misma valencia
Si se viola una o más aspectos de la regla anterior solo es posible una solubilidad parcial por
ejemplo menos del 2% de silicio es soluble en aluminio.
Conductividad térmica en los metales
La conductividad térmica es una medida de la intensidad a la que el calor se transmite a través de
un material, relaciona el calor transmitido de una determinada sección por segundo cuando existen
un gradiante de temperatura.
Si se excitan fácilmente los electrones de valencia hacia la banda de conducción, la energía térmica
puede ser transmitida por los electrones, la cantidad de energía transferida depende del número de
electrones excitados y de su movilidad. Las vibraciones inducidas térmicamente de los átomos
17
causan la emisión de fonones (fonón: onda elástica que transfiere energía a través de un material),
los cuales también transfieren energía a través del material. Es de esperar que las temperaturas
más elevadas incrementen la rapidez de la transferencia del calor debido a los fonones de mayor
energía.
Las contribuciones electrónicas son el factor dominante en la conducción de la energía térmica en
los metales y las aleaciones. Pero la conductividad térmica depende también de los defectos de la
red, la microestructura y el procesamiento del metal. De aquí que los metales trabajados en frío,
los endurecidos por solución y las aleaciones de dos fases pueden mostrar conductividades más
bajas en comparación con sus contrapartes libres de defectos.
Es de esperar que las temperaturas más elevadas reduzcan la movilidad y la conductividad térmica
de los metales. Sin embargo las temperaturas mayores incrementan también la energía de los
electrones y permiten que el calor sea transferido por vibración de la red. En los metales la
conductividad térmica a menudo decrece inicialmente con la temperatura, se vuelve casi constante
y después se incrementa ligeramente.
Figura No 5 Efecto de la temperatura sobre la conductividad térmica de algunos materiales
Fuente: Askeland (1987).
18
Las propiedades a la tensión son afectadas de manera importante por la temperatura. El esfuerzo
de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas
elevadas, en tanto que la ductivilidad que es la medida del grado de deformación en la fractura de
los materiales, comúnmente se incrementa.
Figura No 6 Efecto de temperatura (a) en la curva esfuerzo-deformación y
(b) en las propiedades a la tensión de una aleación alumínica
Fuente: Askeland (1987).
1.3.4 POLÍMEROS
1.3.4.1 ¿Qué son los polímeros?
Los polímeros o plásticos como se les conoce comúnmente son materiales de amplia utilización en
la actualidad, y están en todas partes desde la industrial del envase, aeronáutica, medicina,
construcción, etc. Son materiales muy ligeros ya que presentan baja densidad, son resistentes a los
agentes químicos y a los factores ambientales, no sufren de corrosión y son de bajo costo. Pero la
característica que presenta mayor interés es que al ser productos de síntesis pueden ser fabricados
a medida según las necesidades de la aplicación a que van a ser destinados. Además pueden ser
moldeados en las formas más complicadas o caprichosas en una operación sencilla, con el
consiguiente abaratamiento de los costos e incluso una mejora en las presentaciones del material.
En el anexo 2 se presentan estructuras de los polímeros.
19
La reacción química por la cual se obtienen los polímeros se denomina polimerización. Existen
muchas de estas reacciones y son de distintas clases. Pero todas las polimerizaciones tienen un
detalle en común: comienzan con moléculas pequeñas, que luego se van uniendo entre sí para
formar moléculas gigantes. Se les llaman monómeros a esas moléculas pequeñas. Pero pueden
unirse de diferentes maneras.
Figura No 7 Estructura de un polímero
Fuente: Gomez y Bercero (2000).
Existen dos maneras de sintetizar polímeros, la primera es por adición que, según Wade (1993), los
polímeros por adición son el resultado de la adición rápida de una molécula a la vez a una cadena
creciente del polímero, por lo general, a través de un intermediario reactivo (catión, radical o anión)
al extremo de la cadena, también conocidos como crecimiento de cadena. Y los polímeros de
condensación resultantes de la reacción entre dos moléculas y la pérdida de una molécula pequeña,
también se le conoce como crecimiento por etapas. La polimerización por radicales libres, que son
polímeros que al calentarse sufren una reacción en cadena que se detiene por acoplamiento de dos
cadenas, por reacción de una impureza o por agotamiento del monómero.
1.3.4.2 Clasificación de los polímeros según su comportamiento con la
temperatura
Los plásticos o materiales polímeros se clasifican en dos grandes grupos según su comportamiento
con la temperatura. Se clasifican en Termoplásticos y en termofijos o termoestables.
Figura No 8 Estructura de un polímero termoplástico y un polímero termoestable
Fuente: Young (1990).
20
Un termoplástico es un material que puede cambiarse de forma varias veces simplemente elevando
y descendiendo la temperatura. Un termoestable es aquel que una vez ha sido moldeado mantiene
su forma aunque se eleve la temperatura; también se les puede encontrar con el nombre de
termofijos, ya que en la actualidad existen termoplásticos que resisten altas temperaturas hasta
llegar a su punto de fusión.
La diferencia en el comportamiento térmico de los polímeros es consecuencia de su estructura. Los
termoplásticos son polímeros de cadena lineal mientras que los termofijos son reticulados, las
cadenas están entrecruzadas.
1.3.4.3 POLÍMEROS TERMOESTABLES
Son llamados polímeros termofijos o termoestables a aquellos que al aumentar la temperatura no
fluyen (por la acción del calor), su estructura molecular es estable, invariable. En cambio los
polímeros termoplásticos, como su nombre lo dice, se ablandecen con la temperatura, son
reciclables y pueden disolverse en determinadas sustancias. Los termofijos no logran ablandarse,
no se reciclan, no se disuelven o hinchan con los disolventes y llegan a destruirse o descomponerse
antes de fluir con el aumento de temperatura. Su cadena molecular se encuentra enlazada una con
otra por medio de enlaces covalentes lo que provoca que sean productos rígidos, infusibles,
insolubles y muchas veces frágiles.
Dentro del tipo de estructura polimérica entrecruzada existe una muy característica: la de los
cauchos o elastómeros. Estos compuestos presentan una densidad de nudos (grado de
entrecruzamiento) bastante más baja de la que presentan los compuestos termofijos. Tiene
propiedades elásticas y se hinchan en presencia de algunos disolventes. Los elastómeros tampoco
son reciclables pues no fluyen con el calor.
Formación de polímeros termoestables
La formación de un polímero termoestable es un proceso muy complejo. Durante la reacción de
polimerización se pasa desde un estado más o menos viscoso hasta un sólido rígido a través de
diferentes etapas de vitrificación y de gelación.
Controlar las condiciones de formación de termoestables (curado) es fundamental para conseguir
las propiedades del material deseadas, ya que según sea el grado de entrecruzamiento alcanzado el
material tendrá una Tg (temperatura de transición vítrea: temperatura en la cual se logra el mayor
21
grado de entrecuzamiento de un polímero termofijo, es decir temperatura de curado) que incide
directamente en las propiedades del material.
El tiempo de duración del curado, así como la temperatura a que tiene lugar el mismo, son factores
determinantes de la formación del material. En la gráfica No 9 se relacionan los distintos estados
por los que pasa un sistema hasta llegar a la formación de un termoestable en función del tiempo
de reacción y de la temperatura.
El termoestable puede formarse de dos maneras diferentes:
a) Poniendo a polimerizar conjuntamente la mezcla de comonómeros, uno de los cuales al
menos debe ser divinílico para conseguir el enlazamiento de cadenas, y
b) Entrecruzando cadenas poliméricas funcionalizadas adecuadamente con un entrecruzante.
Este segundo caso es el más habitual. Es el utilizado en la formación de resinas de poliéster
en las que la cadena de polímero presenta dobles enlaces reactivos o el caso de todos
conocido y utilizado de las resinas epoxi base de los adhesivos de dos componentes.
En la figura No 9 están delimitadas por líneas curvas los distintos estados por los que atraviesa la
formación de un termoestable.
22
Figura No 9 Gráfica de curado para un Polímero Termoestable
En la gráfica No 9 Tgo representa el valor de la Tg (Temperatura de transición vítrea) de la cadena
polimérica inicial que va a ser entrecruzada. Por debajo de ésta temperatura el polímero lineal está
en un estado vítreo. Entre Tg y Tg ∞, que es la Tg del termoestable ya formado , existen una serie
de combinaciones de la temperatura a la que se realiza el curado y el tiempo de duración de la
reacción, en las que se forman: un líquido, un gel gomoso o un gel vítreo. La línea punteada
muestra la gelación del material y la línea negra gruesa abarca el gel en estado vítreo.
Analizando el proceso, si la reacción de curado se realiza a una temperatura inferior a la de la Tg
del termoestable para esa composición, se necesita un tiempo de curado mayor para completar la
reacción. El producto obtenido presenta un valor de Tg inferior a Tg∞ como consecuencia de la
incorporación no completa del entrecruzante, formándose un polímero menos entrecruzado y con
un valor de la Tg inferior al que debería tener.
23
Al principio la reacción de curado está controlada cinéticamente, pero a medida que ésta progresa,
la masa de reacción va aumentando su viscosidad hasta que impide el acercamiento de más
entrecruzante a la cadena polimérica. En éste momento el control de la reacción está regido por la
difusión.
La reacción de curado debe realizarse a la Tg y a bajos tiempos de reacción, ya que si se mantiene
a ésta temperatura durante mucho tiempo pueden existir reacciones de desvitrificación. El tiempo
de vulcanización afecta de igual manera a sus propiedades. Un caucho vulcanizado presenta
propiedades de resistencia a la deformación diferentes a uno no vulcanizado, se puede ver
claramente la diferencia en la siguiente figura:
Figura No 10 Comparación de los esfuerzo de un Caucho Vulcanizado y el mismo caucho en su estado natural
Fuente: Gómez y Bercero (2000).
En la siguiente tabla se presentan las ventajas e inconvenientes que presentan los polímeros
termoplásticos y termoestables como materias, y su comparación con materiales metálicos y
cerámicos.
Material Ventajas del termoplástico Inconvenientes
Termoestable
Resistencia termofluencia
Gran estabilidad dimensional
Gran rigidez
Mayor fragilidad
Menor flexibilidad
Metales Resistencia a la corrosión
Buenos aislantes
Menor densidad
Son procesados a menor presión y temperatura
Mal conductor
Cerámicas Menor densidad
Mayor tenacidad
Fácil procesado
Tabla No 3 Comparación de los termoestables contra otros materiales. Fuente: Gómez y Bercero (2000).
24
Estructura de los termoestables
Los polímeros termoestables tienen una estructura tipo red tridimensional como la representada
(network) en la figura No 8, en la que las zonas entre nudos (puntos comunes a dos cadenas) no
tienen movilidad por estar unidas a dos nudos cercanas. La diferencia entre un polímero
termoestable y un elastómero radica en la distinta densidad de nudos que presentan ambas
estructuras. Se define densidad de nudos al número de unidades de monómeros entrecruzadas por
cadena principal. Matemáticamente se representa por la expresión siguiente:
Γ = (Mn)o Γ = Densidad de nudos
(Mn)c (Mn)o = Peso molecular promedio del polímero no entrecruzado
(Mn)c = Peso molecular promedio entre nudos
En un polímero termoestable (Mn)c es muy pequeño, presentando los fragmentos entrecruzados
una conformación casi estirada y fija, sin apenas posibilidad de movimientos segmentales. Por el
contrario en un elastómero la densidad de nudos es muy baja, es decir el tamaño de los
fragmentos entre nudos es grande, lo que permite una gran movilidad de los segmentos
moleculares, experimentando deformaciones por estiramiento al aplicarles fuerza externa,
volviendo a su posición inicial retorcida, cuando cesa aquella. Este fenómeno se conoce como
elasticidad.
Propiedades de los termoestables
Los polímeros termoestables no funden ni se reblandecen con el aumento de la temperatura, de ahí
el nombre termoestables, los polímeros termoestables tampoco fluyen con el aumento de la
temperatura, descomponen antes de alcanzar la temperatura de fusión o de reblandecimiento por
lo que no pueden ser reciclados.
Los polímeros termoestables no se disuelven en disolventes orgánicos o acuosos; se hinchan en
ellos por penetración de moléculas de disolvente en el interior de la malla. El grado de
hinchamiento depende de la afinidad del polímero hacia el disolvente, así como el grado de
entrecruzamiento del mismo. Cuanto más entrecruzado sea el polímero, menos tamaño y mayor
rigidez tendrán los fragmentos entre nudos, admitiendo pocas moléculas de disolvente en su
interior. Un polímero entrecruzado hinchado por un disolvente se denomina gel.
Existen dos manera de obtener polímero termoestables:
a) Por entrecruzamiento de las cadenas macromoleculares durante la polimerización utilizando
monómeros polifuncionales y
25
b) Por entrecruzamiento de las cadenas macromoleculares obtenida en una polimerización
previa.
El proceso de entrecruzar cadenas se denomina “curado”. Los entrecruzamientos pueden tener la
misma naturaleza que la cadena principal o ser totalmente diferentes. En el primer caso la
polimerización ha transcurrido según el supuesto a) y ocurre con monómeros idénticos en
reacciones de adición o trifuncionales en reacción de condensación. En el supuesto b) el
entrecruzantes de las cadenas preformadas puede tener estructura diferentes a ellas. Este es el
caso de las formación de epóxicos.
Aplicaciones
Los polímeros son materiales de gran interés en ingeniería por presentar características como:
a) Alta estabilidad térmica.
b) Gran rigidez.
c) Gran estabilidad dimensional.
d) Resistencia a la deformación bajo cargas.
e) Baja densidad.
f) Buenas características como aislantes términos y eléctricos.
Los plásticos termoestables se procesas normalmente por compresión o moldeo por transferencia
(proceso de vulcanizado o curado).
Los plásticos termoestables se utilizan en forma de compuesto de moldeo de dos componentes
principales:
1) Una resina conteniendo agentes de curado, endurecedores y plastificantes.
2) Rellenos y/o materiales reforzantes de naturaleza orgánica o inorgánica como harina de
madera, mica, vidrio, celulosa, metales, etc.
26
Figura No 11 Comportamiento ideal de un plástico termoestable
relacionando sus propiedades con el tiempo de vulcanizado.
Fuente : Young (1989).
1.3.4.4 LA CRISTALINIDAD EN POLÍMEROS
La tendencia de los polímeros a ser cristalinos viene determinada por su estructura química. En
general la cristalinidad está favorecida por las estructuras simétricas, que permiten un
empaquetamiento más regular de las cadenas en el sólido y que permiten, también, una mayor
proximidad entre cadenas lo cual favorece las interacciones entre ellas.
Los polímeros regulares, que tienen tendencia a cristalizar, no llegan a alcanzar, su 100%, suelen
tener siempre un porcentaje de parte amorfa y son, por tanto, semicristalinos.
El grado de cristalinidad que se alcanza depende de la estructura, pero también del proceso
seguido para la cristalización. Según la temperatura a la que se efectúa ésta, la rapidez con que se
generan los cristales, y el tratamiento térmico y mecánico posterior del polímero, así la cristalinidad
resulta mayor o menor. Para alcanzar mayores cristalinidades, suele ser conveniente que el
enfriamiento sea lento. También se favorece, sometiendo al polímero a tensión, el templado o
tratamiento térmico de los polímeros ya cristalizados, también modifica el grado de cristalinidad.
Los cristales de polímeros son, en general, pequeños. En los polímeros que forman plásticos, estos
cristales suelen estar organizados en estructuras mayores que se llaman esferulitas.
27
1.3.4.5 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS POLÍMEROS
El comportamiento de los polímeros viene marcado por ciertas temperaturas, que delimitan sus
propiedades y su resistencia. Estas temperaturas son Temperatura de transición vítrea Tg,
temperatura de fusión Tm, temperatura de estabilidad térmica Ts. La importancia relativa
de la transición vítrea y de la fusión depende del grado de cristalinidad que tenga el polímero.
Si el polímero es amorfo (y de cadena lineal) se comporta como vídrio a temperaturas bajas y se
hace correoso a temperaturas ligeramente por encima de su Tg. Estos polímeros correosos pasa a
ser gomosos a temperaturas algo más altas, y finalmente fluyen con líquidos viscosos, a
temperaturas superiores. Los polímeros amorfos entrecruzados no fluyen y se mantienen como
gomas.
Si el polímero es cristalino, funde a llegar a su Tm, pasando a líquido viscoso. Un polímero
semicristalino puede tener un comportamiento combinado, haciéndose algo correoso al llegar a su
Tg y fundiendo luego al llegar a su Tm. La temperatura de fusión es siempre superior a la de
transición vítrea. En general, el valor de Tm es de un 30% a 100% superior al de Tg (ambos en
temperatura absoluta).
Relación entre estructura y propiedades térmicas
Los polímeros cuyas cadenas son de estructura muy flexible ( como goma natural por ejemplo)
tienen valores bajos de Tg. Las interacciones suelen hacer que Tg aumente.
Los anillos aromáticos son estructuras rígidas, y su presencia en los eslabones de la cadena hace
que, tanto Tg como Tm de los polímeros que contienen estas estructuras rígidas, sean superiores a
las de polímeros similares, pero que contienen secuencias alifáticas tipo –(CH2)n- que son flexibles.
Propiedades mecánicas
El comportamiento mecánico de los polímeros es muy importante para sus aplicaciones en los
plásticos. Su capacidad para soportar fuerzas, el modo cómo se deforman y ceden ante dichas
fuerzas, etc, son propiedades mecánicas del material, que cambian de unos polímeros otros y
dependen de las características intrínsecas de estos, tales como su estructura química, su peso
molecular, su grado de cristalinidad, entre otros, pero también dependen muy fuertemente de los
factores externos, entre los cuales están temperatura y el tiempo, entendido éste último como
medida de la rapidez con que se aplican las fuerzas así como la duración de éstas.
28
Un procedimiento muy seguido para mejorar el rendimiento mecánico de un material, a partir de un
polímero dado, es mezclar el polímero con algún relleno que contribuya a reforzar alguna de las
propiedades buscadas.
La cristalinidad favorece la resistencia mecánica de los polímeros, en general. Su rigidez y dureza,
así como su resistencia a ceder, suelen mejorarse cuando el grado de cristalinidad en mayor. Por
eso, suelen ser beneficiosos los procesos que favorecen la formación de dicha cristalinidad, como el
enfriamiento lento del fundido, el retemplado, etc.
No siempre es lo más conveniente buscar la mayor rigidez y dureza en el material porque éstas
cualidades suelen ir acompañadas de fragilidad, el material puede ser duro pero resultar
quebradizo. Para muchas aplicaciones es mejor que el material ceda algo, y pueda absorber, así,
las tensiones sin quebrarse. Con ello, se logra un material más tenaz. Esta tenacidad la aportan
las zonas amorfas del polímero, en las que las cadenas se encuentran desordenadas y pueden
pasar, fácilmente, de una conformación a otra. Con este cambio de conformación, se pueden
adaptar a la tensión externa, y disipar su efecto dentro del material. Las zonas cristalinas, por el
contrario, tienen sus cadenas perfectamente ordenadas y en una conformación única, que no
puede cambiar, por lo que resultan rígidas y cuando la tensión se acumula en exceso, el único
mecanismo de disipación es la rotura . Así esta combinación de zonas amorfas, que absorben
tensiones, y zonas cristalinas que aportan rigidez, resulta conveniente y pueden graduarse para
alguna aplicación especial.
La combinación rígido-deformable puede estar ya en la misma estructura química del polímero.
Este es el caso de los copolímeros en que uno de los monómeros tiene una estructura química
rígida, tipo anillo aromático, y otro monómero es flexible, como puede serlo una secuencia de
carbonos alifáticos, o con algún oxígeno intercalado entre estos carbonos.
Todo tipo de comportamientos son posibles usando polímeros. De aquí las grandes ventajas de
estos materiales.
29
Figura No 12 Comportamiento idealizado de diferentes plásticos con diversas propiedades
En la figura No 12 se muestra de forma idealizada, los distintos comportamientos de los materiales
plásticos ante la tensión y deformación que presentan, según la dureza, tenacidad, resistencia, etc.
La representación es de tensión frente a deformación. El significado de estar curvas es: qué fuerza
hay que aplicar para conseguir una determinada deformación o bien, qué deformación se produce
si aplicamos determinada fuerza (tensión=fuerza/área).
Hay que tener presente que los polímeros son viscoelásticos. Sometidos a tensión se deforman, de
modo parcialmente elástico y parcialmente viscoso, ya que durante el tiempo que dura la tensión,
va ocurriendo un proceso de flujo de material. Si el efecto de flujo es muy pequeño, la forma
original puede recuperarse cuando cesa la tensión (deformación elástica), pero en caso contrario,
un parte de la deformación resulta irreversible. La importancia relativa de la componente elástico y
de la componente viscosa depende de la clase de polímero que se trate, su peso molecular, de su
grado de entrecruzamiento y de la temperatura. Para todas estas características y parámetros
iguales, dependen del tiempo que dura la aplicación de la tensión y de la rapidez con que se aplica.
El efecto de la duración es claro, el flujo de material avanza, progresivamente, mientras la fuerza
continúa aplicada, aunque la elasticidad no cambia. El efecto de la rapidez también puede
entenderse, pues la respuesta de las cadenas a la fuerza exterior no es rigurosamente instantánea,
sino que se toma un tiempo. El tiempo requerido depende de la envergadura del movimiento que
ejecutan las cadenas, si se trata sólo de pequeños cambios conformacionales en tramos cortos,
será un tiempo más breve que si se trata de desplazamientos más generalizados de éstas. Según
sea la rapidez de aplicación de la fuerza, así dará tiempo a una gama más o menos amplia de
movimientos moleculares, lo cual condiciona la respuesta del material.
30
Las propiedades mecánicas de interés en el presente estudio son las siguientes:
Resistencia
Para medir la resistencia tensil, que es la propiedad en donde se mide si un polímero tiene
resistencia y soportar un estiramiento horizontal o vertical dentro de su estructura molecular, se
debe hacer el estiramiento con una máquina llamada Instron en donde se mide la tensión al
incrementar la fuerza y la tensión sobre la muestra hasta que ésta llega a romperse, la tensión
requerida para romper la muestra representa la resistencia tensil del material, también se puede
determinar su diagrama esfuerzo-deformación, pero por carecer de dicho instrumento esta prueba
se omitió utilizando solamente pruebas con la máquina vulcanizadora sometiendo a fuerzas de
compresión al material en estudio, también se cuentan con los datos teóricos proporcionados por
los proveedores.
Elongación
Pero las propiedades mecánicas de un polímero no se remiten exclusivamente a conocer cuán
resistente es. La resistencia indica cuánta tensión se necesita para romper algo. Pero no dice nada
de lo que ocurre con la muestra mientras se trata de romper. Ahí es donde corresponde estudiar el
comportamiento de elongación de la muestra polimérica. La elongación es un tipo de deformación.
La deformación es simplemente el cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo
tensión.
Los termoplásticos se pueden comparar de acuerdo a su módulo de estiramiento, a pesar que no se
tienen todos los datos cuantificados, utilizando al gráfica No 13 como representación de las curvas
típicas de tensión-estiramiento para comparar varios polímeros. La primera curva corresponde a un
plástico totalmente rígido (similar al epóxico) se observa que pueden aumentar una gran carga de
tensión pero no tienen elongación antes presentan ruptura, los materiales son muy resistentes, su
pendiente de la recta es pronunciada lo que significa que necesita una fuerza alta para deformarse
(es por ello que tiene módulos elevados). Resumiendo, los plásticos rígidos tienden a ser
resistentes, soportan la deformación, pero no suelen ser duros, es decir, son quebradizos.
31
Figura No 13 Comparación de la resistencia tensíl de tres tipos de polímeros
Fuente: After (1991).
Los plásticos flexibles como el polietileno y el polipropileno difieren de los plásticos rígidos en el
sentido que no soportan tan bien la deformación, pero tampoco tienden a la ruptura. El módulo
inicial es elevado, o sea que resisten por un tiempo la deformación, pero si se ejerce demasiada
tensión sobre un plástico flexible, finalmente se deformará. Como conclusión, los plásticos flexibles
pueden no ser tan resistentes como los rígidos, pero son mucho más duros.
Es posible alterar el comportamiento tensión-estiramiento de un plástico con aditivos es por ello
que muchos plásticos de ingeniería contienen estas sustancias para mejorar sus propiedades.
Las fibras como el KevlarTM, la fibra de carbono y el nylon tienden a exhibir curvas tensión
estiramiento como la de color celeste que se ve en el gráfico No 13. Al igual que los plásticos
rígidos, son más resistentes que duras, y no se deforman demasiado bajo tensión. Pero cuando es
resistencia lo que se requiere, las fibras tienen mucho que ofrecer. Son mucho más resistentes que
los plásticos, aún los rígidos, y algunas fibras poliméricas como el KevlarTM, la fibra de carbono y el
polietileno de peso molecular ultra-alto poseen mejor resistencia tensil que el acero.
Los elastómeros como el poliisopreno, el polibutadieno y el poliisobutileno muestran un
comportamiento mecánico completamente diferente al de los otros tipos de materiales. Los
elastómeros tienen módulos muy bajos.
32
1.3.4.6 ADITIVOS UTILIZADOS EN PLÁSTICOS
Para lograr que los polímeros tengan las propiedades fisicoquímicas deseadas como materiales de
ingeniería a las bases de los plásticos se les agregan las siguientes sustancias como aditivos, según
Askenland (1987) :
• Estabilizantes: Impiden el deterioro del polímero provocado por el medio ambiente y la
radiación ultravioleta.
• Agentes antiestáticos: Como la mayoría de los polímeros, debido a que son malos
conductores eléctricos, generan electricidad estática. Los agentes antiestáticos atraen
mayor humedad del aire hacia la superficie del polímero, mejorando la conductividad
superficial del polímero y reduciendo la posibilidad de una chispa o descarga eléctrica.
• Retardantes de la combustión o llama: Por ser materiales orgánicos altamente
inflamables se les agregan aditivos como cloruros, bromuros, fosfatos o sales metálicas
reducen la posibilidad de que ocurra o se extienda la combustión.
• Lubricantes: Se utilizan para reducir la viscosidad del plástico fundido y mejoran la
conformabilidad entre estos están la cera o el estearato de calcio.
• Agentes espumantes: Algunos polímeros pueden ser expandidos en forma de espuma,
con huecos celulares. El polímero es producido primero como pequeñas gotas sólidas que
contiene el agente expansor o insuflador. Cuando las gotas son calentadas, el polímero se
vuelve plástico, el agente se descompone para formar un gas dentro de la gota y las
paredes de ésta se expanden. Cuando las gotas preexpandidas se introducen en un molde
caliente, se juntan y pegan entre sí para producir una cierta forma. Las espumas
expandidas son excelentes materiales aislantes con una densidad excepcionalmente baja.
• Refuerzos: La resistencia y la rigidez de los polímeros se mejora introduciendo filamentos
de vidrio, polímero o grafito. Por ejemplo la fibra de vidrio consiste en pequeños filamentos
de vidrio dentro de una matriz polimérica.
• Agentes acopladores: Son añadidos para mejorar la unión del polímero con los
materiales inorgánicos de relleno, tales como las fibras de vidrio reforzantes. Una gran
variedad de silanos y titanos son empleados para este propósito.
33
• Plastificantes: Son moléculas de bajo peso molecular, o bien cadenas que, reduciendo la
temperatura de transición vítrea, mejoran las propiedades y características de
conformabilidad del polímero.
• Rellenos: Los materiales de relleno o rellenadores se añaden con muchos fines. Quizá el
ejemplo mejor conocido es el de la adición de negro de humo al caucho o hule, lo que
mejora la resistencia a la carga y al desgaste en los neumáticos. Algunos rellenadores,
como las fibras cortas o las hojuelas de los materiales inorgánicos, mejoran las propiedades
mecánicas del polímero. Otros llamados extensores, permiten que se produzca un gran
volumen de material polimérico con relativamente poca resina. El carbonato de calcio, la
sílice y la arcilla son extensores usados con frecuencia.
• Pigmentos: Los pigmentos son utilizados para producir colores en plásticos, éste debe
resistir las temperaturas y las presiones durante el procesamiento del polímero, debe ser
compatible y estable con éste.
34
1.3.4.7 SILICONES
El término “silicón” ha llegado a ser un término genérico que incluye a todos los compuestos que
contienen en su moléculas silicio y grupos orgánicos, siempre que el silicio se halle en cantidad
suficiente para poder afectas las propiedades deseadas.
El nombre de silicón se utiliza en la presente investigación para referirse al polímero con que se
fabrican los moldes utilizados para las velas, se conoce comercialmente como silicón htv por sus
siglas en inglés que significan “high temperature vulcanized” (vulcanizado a alta temperatura).
El silicón HTV se somete al proceso de vulcanizado para lograr que este material adopte una forma
definida, al estar expuesto a una alta temperatura y presión se logra que todas las reacciones de
condensación y agrupación en los enlaces del polímero se efectúen, para poder utilizar luego un
molde con una forma definida en la fabricación de velas proceso en donde se verá afectado a altas
temperaturas de llenado de las parafinas o resinas clear de las cuales se fabrican las velas. Al estar
el molde previamente curado le da estabilidad y no alterará el producto final a fabricar, las velas.
UÍ LA EXPLICACIÓN DE LA TEMPERATURA DE LLENADO DE LAS PARA
Las propiedades generales del silicón utilizado se presentan en el anexo 3 en su hoja técnica, la
fórmula y la molécula de éste material es propiedad exclusiva del proveedor por lo cual no se tiene
acceso. Con el fin de entender el proceso de fabricación del silicón se presentan las generalidades
de dicho polímero.
Los poliorganosiloxanos han sido comercializados con el nombre de silicones. Responden a la
fórmula general:
Figura No 14 Fórmula general de los silicones
donde R y R´ representa grupos orgánicos que pueden ser iguales o distintos. Los silicones son un
híbrido químico, una especie de intermedio entre polímeros orgánicos y la arena. Pertenecen al
grupo llamado polímeros inorgánicos atendiendo a que su esqueleto no es hidrocarbonado.
La mayor diferencia entre los polímeros orgánicos y los inorgánicos son su temperatura de
transición vítrea, su grado de cristalinidad y sus características específicas de fusión. Y en estas tres
diferencias se sustentan sus ventajas y aplicaciones específicas.
35
Figura No 15 Estructura molecular de un silicón
Fuente: Gómez y Bercero (2000).
En las cadenas de silicones no todos tienen el mismos ángulo de enlace así los enlaces compuestos
por Si-O-Si son diferentes a los O-Si-O, lo que obliga a la cadena a cerrarse sobre ella misma, esto
le da más flexibilidad que otro tipo de polímeros, es una característica propia de este tipo de
polímeros.
Métodos de obtención de los silicones
Los polisiloxanos se preparan a menudo por hidrólisis de los diclorosilanos y triclorosilanos y por
condensación dioles y trioles que se han formado. Inicialmente, los clorosilanos se obtuvieron por
acción del tetracloruro de silicio con un derivado organomagnesiano en éter anhidro.
SiCl4 + RMgBr → RSiCl3 + MgBrCl
SiCl4 +2 RMgBr → R2SiCl3 + 2 MgBrCl
SiCl4 +3 RMgBr → R3SiCl + 2 MgBrCl
Se han obtenido clorosilanos con radiales orgánicos diferentes fijados al silicón operando en dos
tiempos:
SiCl4 +2 RMgBr → RSiCl3 + MgBrCl
RSiCl3 +3 R´MgBr → RR´SiCl2 + MgBrCl
Este procedimiento presentan inconvenientes industriales por las inconveniencias de utilizar éter
por sus peligros industriales además posee costos muy altos. Por esto se ha sustituido al éter por
organomagnesianos clorados menos onerosos. También se han preparado clorofinilsilanos,
haciendo reaccionar el cloruro de fenilmagnesio son el tetracloruro desílico en el seno de
clorobenceno, empleado como disolvente.
36
Un procedimiento más reciente consiste en hacer reaccionar directamente los derivados
halogenados orgánicos, en fase vapor con silicio metálico, unido a otros metales que sirven de
catalizadores.
Se pueden obtener macromoléculas lineales con los silanos dioles:
y tridimensionales con los silanos trioles:
Las técnicas empleadas dependen de la naturaleza de los radicales fijados al silicio y de la forma
de los encadenamientos deseados. La hidrólisis de los diclorosilanos y la policondensación de los
silanos se efectúa simultáneamente. La hidrólisis efectuada con gran exceso de agua da
generalmente productos cíclicos o de bajos pesos moleculares, concretamente, los trisiloxanos y
tetrasiloxanos.
Para obtener silicones muy condensados, se utilizan soluciones ácidas o soluciones saturadas de
sales metálicas como FeCl3, AlCl3 y ZnCl2, etc.
Es posible realizar también la policondensación de silanoles que difieren por la naturaleza de los
radicales orgánicos o por su funcionalidad. De esta manera, para limitar a un valor determinado la
longitud de las cadenas macromoleculares, se añade una cantidad calculada de monoclorosilano al
diclorosilano sometido a hidrólisis. Las macromoléculas obtenidas no teniendo extremidades
reactivas, se encuentran estabilizadas.
37
La presencia de triclorosilanos o de tetracloruro de silicio permite crear cadenas de
entrecruzamiento, que conducen a redes macromoleculares tridimensionales, más o menos
compactas en función de las aplicaciones previstas.
La reticulación de las siliconas lineales puede efectuarse por oxidación en contacto con el aire a
300°C (572°F), por medio de peróxidos, lo que elimina cierto número de radicales orgánicos bajo la
forma de aldehído.
Esta técnica se emplea en la industria de productos de revestimiento para transformar los silicones
lineales, pudiendo aplicarse en solución, en una película insoluble, por cocción al horno, por
ejemplo se produce algo parecido a un termoendurecimiento.
38
Igual reacción puede producirse con las siliconas cíclicas, como los ciclotrisiloxanos, lo que conduce
a macromoléculas lineales de distinto tipo. Cuando el tetrámero cíclico del dimetilsiloxanos calienta
por encima de 100°C (212°F) en presencia de trazas de un ácido o base, polimeriza hasta formar
un líquido muy viscoso o una goma. El peso molecular del polímero resultante puede llegar a ser de
2 millones, lo que corresponde a unas 25,000 unidades monoméricas.
Se han sintetizado otros métodos de preparación, como la oxidación directa de los halogenosilanos
por ebullición con los óxidos metálicos como PbO en presencia de cloruro cúprico como catalizador.
Propiedades útiles de los silicones
Los silicones tienen la estabilidad de los minerales por el hecho de ser polímeros inorgánicos, pero
al haber sustituido los grupos laterales iónicos por otros grupos orgánicos neutros, son materiales
con una flexibilidad mucho mayor que el vidrio.
La mayor parte de los silicones se basan en el polidimetilsiloxano. La propiedad más característica
de este compuesto de alto peso molecular es su flexibilidad y elasticidad que se mantiene en un
amplio intervalo de temperaturas. Su temperatura de transición vítrea es -130°C (202°F) pero su
elasticidad se mantiene solo hasta –30 ó –40°C (-22 ó –40°F) (porque a esta temperatura
comienza a cristalizar) y se conserva hasta incluso los 250°C (482°F). La flexibilidad del polímero
sólido evidencia la facilidad de torsión de los enlaces el esqueleto del polímero. Esta propiedad
junto con su permeabilidad al oxígeno le da su aspecto blando, tiene también una energía cohesiva
y en consecuencia, una energía superficial muy bajas.
Otra importante propiedad de los silicones es su hidrofobicidad, repelen fuertemente el agua. A
causa de ésta propiedad se utilizan para productos que dan brillo a autos, entre otros.
Tipos de silicones
Tal como se mencionó, la mayor parte de los silicones se basan en el polidimetilsiloxano pero
también se han introducido en los polisiloxanos otros grupos sustituyentes como el vinilo, etilo,
trifluoropropileno, fenilo y bifenilo. Cada grupo mejora una determinada propiedad del material
como su resistencia a la llama, su compatibilidad con otros polímeros o su resistencia mecánica.
Los silicones se presentan en muchas formas distintas, además de ser materiales moldeables con
aplicación en producto para altas temperaturas se utilizan para repelentes de agua, lubricantes,
abrillantadores, cauchos capas protectoras, antiespumantes y fluidos estables a altas temperaturas.
39
Silicones en escalera
Una de las motivaciones para el desarrollo de polímeros con esqueletos inorgánicos fue la creencia
de que estos materiales serían más estables a altas temperaturas que los polímeros orgánicos. Los
silicones son resistentes a la oxidación y degradación a temperaturas por encima incluso de 200°C
(392°F) pero algunos pueden depolimerizar en ciclos pequeños a temperaturas superiores a 250°C
(482°F) y con ello pierden sus propiedades.
Una solución a este problema se encontró en el diseño de estructuras similares a los silicatos de
doble cadena y al material resultantes se le llamó silicones en escalera o polifenilsesquisiloxanos.
Como cabía esperar, la estructura de doble cadena restringe la movilidad de los esqueletos y los
materiales ya no son elastoméricos pero hinchados con pequeñas cantidades de disolvente, pueden
ser estirados y orientados y permanecen estables hasta incluso los 300°C (572°F).
Silicones moldeables
Existen dos tipos de silicones moldeables, los granulares y los fibrosos.
Los compuestos granulares son fluidos de silicón rellenos de minerales o de fibra de vidrio. Se
moldean por compresión y resiste altas temperaturas y descargas de arco. Las secciones más
gruesas requieren largos tiempos de curado de una o más horas.
Los cauchos de silicón son materiales moldeables de amplio uso. Por ejemplo, los diseñadores de
moldes emplean los cauchos de silicón RTV ( de vulcanización a temperatura ambiente) o silicón
HTV (de vulcanización a alta temperatura) para hacer moldes.
40
1.3.4.8 RESINAS EPOXI
Las resinas epoxídicas, epóxicas o epoxi, empezaron a comercializarse a partir de los años 50’s por
laboratorios Ciba con nombre de Araldite y por Deove Reynolds USA como EPON.
Estructura molecular
La unidad estructural es
y se obtiene por condensación de compuestos polihidroxílicos con moléculas que contengan la
agrupación oxietilénica anteriormente representada.
Más del 90% de las resinas epoxi existentes en el mercado se obtienen con bisfenol A y
epiclorhidrina estando n comprendido entre 1 y 12.
El bisfenol A puede sustituirse por otros compuesto como la resorcina, hidroquinona, pero estas
formulaciones son más caras. La epiclorhidrina puede sustituirse, a su vez por parafinas cíclicas de
mayor número de átomos de carbono. Estas resinas se presentan en estado líquido-viscoso hasta
sólido en función de n.
Propiedades de los epóxicos
El entrecruzamiento que se forma en el proceso de curado, origina resinas infusiles e insolubles y
se producen a través de endurecedores apropiados. Pueden ser de dos tipos:
41
a) Compuestos que contienen funciones capaces de agregarse al ciclo epóxico durante el
proceso de moldeo (endurecedores co-reactivos). Se trata de aminas primarias, anhídridos
de ácido o derivados de guanidina, utilizándose proporciones estequeométricas definidas.
b) Compuesto que desencadenan la copolimerización de las resinas (endurecedores
catalíticos) que son generalmente ácidos de Lewis.
En la formulación de estas resinas ( que se venden como termoplásticos líquidos) hay que
determinar el agente endurecedor, el material de carga (silicatos, caolín, talco..) los plastificantes
(ftalatos) y los llamados “terminadores” que reducen el número de enlaces cruzados. Estos
requisitos originan formulaciones muy diversas.
Es muy difícil generalizar sobre las propiedades de estas resinas dada la variedad de las mismas, no
sólo por la naturaleza de los componentes de la resina, sino también por la variedad tan amplia de
agentes de entrecruzado que se utilizan. Podría destacarse entre sus propiedades:
• Baja retracción en el moldeo
• Buen comportamiento térmico hasta 180°C (356°F) (puede variar según sea el caso del
plástico en estudio)
• Buena resistencia a los agentes químicos
• Buena adhesividad
• Excelente propiedades mecánicas
1.3.5. PROCESOS
1.3.5.1 DIAGRAMAS DE FLUJO
A continuación se presentan los diagrama de flujo de todos los procesos involucrados con el
presente trabajo para tener un mejor conocimiento de el funcionamiento de la fábrica de
moldes dentro de la empresa manufacturera de velas .
• Diagrama de interacción por departamentos de la empresa para la
producción candelas: En el anexo 4 se presentan como está involucrado el
departamento de moldes dentro de las operaciones de la empresa manufacturera
de velas y su interacción con los otros departamentos.
• Diagramas de flujo de proceso producción moldes: Ver el anexo 5.
42
• Diagrama de flujo del proceso general de fabricación de moldes vulcanizados:
Presentado en el anexo 5A.
• Diagrama de flujo de proceso de fabricación de la matriz de aluminio por el
proveedor: Consultar anexo 5B.
• Diagrama de flujo de proceso de la matriz propuesta de epóxico: Anexo 5C.
• Diagrama de flujo de proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv: Anexo 5D.
1.3.5.2 PROCESO DE FABRICACIÓN DE MATRICES DE ALUMINIO
Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 6.
1.3.5.3 ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR
Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 7.
1.3.5.4 MÁQUINA VULCANIZADORA
Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 8.
1.3.5.5 VULCANIZAR
Explicación y procedimiento ilustrado en el anexo 9.
43
MARCO DOS : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA
El proceso de vulcanizado es el más utilizado para la fabricación de moldes de silicón para velas
aromáticas, debido a que el silicón es un polímero estable, flexible, maleable, que polimeriza a alta
temperatura (htv) y soporta las temperatura de llenado de las velas y es inerte hacia éstas; la
vulcanización sirve para darle estabilidad al silicón al elevar la temperatura logrando con esto una
forma definida y no variable ideal para la producción de las candelas.
La máquina vulcanizadora presenta condiciones de alta temperatura y debe resistir un impacto
mecánico alto, es por ello que las matrices actualmente usadas son de aluminio; se desea cambiar
éste por un polímero que soporte las condiciones de operación del vulcanizado similar al aluminio,
esto servirá además para disminuir costos dentro de la empresa ya que se depende de un
proveedor que fabrica las matrices a utilizar; contando con dicho polímero se podrían elaborar
dentro del taller de moldes las matrices necesarias de una forma fácil y tener la confidencialidad de
los diseños de la empresa.
Se ha elegido investigar un epóxico porque estos polímeros tienen la propiedad de tener un alto
punto de fusión permanecen estables a altas temperaturas, se pueden polimerizar a con un proceso
de curado sencillo, poseen alta resistencia mecánica y generalmente son inertes a otros materiales
plásticos.
La empresa en donde se realizó la presente investigación, se dedica a la fabricación de velas
aromáticas y tiene su fábrica propia de moldes que es el departamento que da inicio al proceso de
producción de las candelas. En la fábrica de moldes no se cuenta con un control adecuado de
control de calidad de materia prima para el silicón htv. Hace falta un mantenimiento preventivo de
la máquina vulcanizadora, además los moldes a producir para candelas son de formas irregulares y
el proceso de curado es muy complicado ya que dependiendo de las figura de los moldes, cantidad
de masa de silicón que se utilizará, tiempo ideal de curado, diseño de la matriz adecuada siendo las
matrices de aluminio fabricadas de manera artesanal (copiado con alginato, fresado, etc)
presentan muchos errores que afectan de manera directa la producción de moldes con problemas
como porosidad, asimetría, desplazamiento del silicón htv dentro de la máquina y matriz errado,
44
tiempo prolongado de espera de la fabricación de la matriz por el proveedor, alto costo; todos los
anteriormente factores descritos hacen que la presente investigación sea de gran importancia. La
empresa se dedicada a la exportación de velas; al tener moldes con errores afecta de manera
directa el producto final de la empresa, aumentando los niveles de reproceso, desperdicio que
acarrean pérdidas, sin un molde con buena resolución de copiado transmitida de la matriz se
producirán velas; que no cumplen con los estándares que el mercado exigente de exportación
requiere.
Es por ello que surge la pregunta de la investigación: ¿Es posible encontrar un polímero que
pueda utilizarse para fabricar matrices que sustituyan las matrices alumínicas para la
fabricación de moldes vulcanizados de silicon HTV para una industria de velas
aromáticas?
2.1. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.1.1 OBJETIVO GENERAL
• Proponer un polímero epóxico para sustituir el aluminio en la elaboración
de matrices para el proceso de fabricación por moldeo por compresión (vulcanizado)
de moldes de silicón HTV, en una industria de velas aromáticas.
2.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Probar que en la actualidad existen compuestos orgánicos sintetizados químicamente
como los epóxicos que pueden cumplir las propiedades fisicoquímicas de un metal
como lo es el aluminio en el proceso de vulcanizado de moldes de silicón.
• Reducir costos de proveedor de matrices de aluminio al tener dentro del taller de
moldes la técnica para la fabricación de las matrices cuidando la confidencialidad de los
diseños exclusivos de las velas, disminuyendo costos de fabricación de los moldes.
• Mejorar el procedimiento de fabricación moldes al tener un material fácil de manipular
y no depender de un proveedor de matrices el tiempo de fabricación de moldes
vulcanizados será reducido, que es el tiempo previo al arranque de producción de
candelas.
45
• Aumentar las opciones de materiales a trabajar en la máquina vulcanizadora, ya que
actualmente sólo se utilizan aleaciones de aluminio, cobre, acero inoxidable, antimonio.
46
HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN
HIPOTESIS
El epóxico soporta las condiciones de operación (temperatura, resistencia mecánica, tiempo de
vulcanizado) del aluminio para el proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv en una
fábrica de velas aromáticas, utilizado como sustituto y logrando bajar el costo.
HIPÓTESIS NULA
El epóxico no soporta las condiciones de operación (temperatura, resistencia mecánica,
tiempo de vulcanizado) del aluminio para el proceso de vulcanizado de moldes de silicón htv en
una fábrica de velas aromáticas, por lo tanto no puede ser utilizado como sustituto y no logra
bajar el costo.
47
VARIABLES
VARIABLES INDEPENDIENTES
• Material de fabricación de la matriz
VARIABLES DEPENDIENTES
• Temperatura
• Tiempo de exposición
2.4 DEFINICIÓN DE VARIABLES
TEMPERATURA
a) Definición conceptual: Variable intensiva y función de estado que puede
definirse como una medida indirecta del grado de excitación de la materia o de lo
caliente que está; se mide con aparatos llamados termómetros, que usan escalas
arbitrarias (Valiente, 1990).
b) Definición operacional: La tolerancia de temperatura que se necesita para que
sea efectiva el vulcanizado sea efectivo sin deformarse o alterar la matriz.
TIEMPO DE VULCANIZADO
a) Definición conceptual: Tiempo en que se efectúa el proceso de calentamiento
de un polímero que aumenta la elasticidad y la resistencia a la tensión, a sudar e
hincharse. (Valiente,1990).
b) Definición operación: Tiempo en el cual el silicón toma la dureza, y
propiedades necesarias para realizar el molde.
MATERIAL DE LA MATRIZ
a) Definición conceptual: Término común utilizado en lugar de sustancia.
(Valiente,1990).
b) Definición operación: Sustancia con la cual se fabrica la matriz que sirve para la
fabricación de moldes vulcanizados.
48
2.5 ALCANCES, LÍMITES Y LIMITACIONES
ALCANCES Y LÍMITES
El proponer un polímero para la elaboración de matrices que se fabrican comúnmente de
aluminio para ser empleado en la fabricación de moldes para la industria de velas aromáticas
permitirá implementar técnicas de ingeniería para poder mejorar el proceso e independizarlo de
los proveedores actuales, aplicando conocimientos de química y un análisis de costos para poder
implementar dicho proyecto. El trabajo presenta las bases necesarias como la información para
llevar a cabo los procedimientos dentro o fuera de una industria de velas que utilizan éste
método de moldeo en otras industrias.
LIMITACIONES
La limitación principal se relaciona con la confidencialidad de los datos y procesos que
proporcionó la empresa bajo estudio. En función de ésta confidencialidad, los datos de medidas
y fabricación llevaron consigo una alteración.
Además dentro de los límites también se encuentran:
• Los diversos proveedores de plásticos no facilitaron tanto las fórmulas específicas de
los plásticos ya que dentro de sus políticas también se encuentra la confidencialidad.
• Tampoco proporcionaron los proveedores datos experimentales como el Cp (capacidad
calorífica), las curvas de curado, etc, es por ello que se buscaron similares.
• Falta de equipo para hacer todas las pruebas necesarias como una máquina Instron
para hacer las mediciones de resistencia tensil.
• Por ser un proyecto de investigación y desarrollo se contó con un tiempo restringido
para las pruebas y resultados.
• El tiempo limitado dentro del cual se llevaron a cabo los experimentos por ser un
proyecto asignado dentro de la empresa.
• Por ser un proceso controlado con condiciones de operación definidas para el curado
del silicón HTV, estas estubieron limitadas a utilizarse en rangos establecidos.
49
• Por confidencialidad de la empresa no fue permitido publicar las especificaciones del
equipo utilizado.
2.6 APORTES
A la Universidad
El trabajo servirá como una futura referencia para trabajos a desarrollarse en los años por venir, así
como una guía de apoyo para desarrollar investigaciones y/o trabajos.
A la Facultad
Representa la culminación de los conocimientos adquiridos durantes la carrera al ser aplicados de
forma práctica en situaciones de la industria del país.
A la Sociedad
Ampliará los horizontes de la industria guatemalteca y servirá como una premisa para poder
desarrollar y mejorar el conocimiento y los procesos de la industria en general.
A la Empresa
Reducción de costos de proveedores al proporcionar un estudio detallado de procesos nuevos en
un mercado creciente, aumentando la productividad de la empresa al ampliar las opciones de
trabajo de la maquinaria existente, cuidando los diseño exclusivos de las matrices de las velas
aplicando los conocimientos y principios de Ingeniería Química Industrial.
50
MARCO TRES: MÉTODO
3.1 SUJETOS Y UNIDADES DE ANÁLISIS
Los sujetos y unidades de análisis a investigar son:
Gerente fábrica de moldes: Es un profesional graduado de Ingeniería industrial, con gran
experiencia acerca de todos los materiales y procedimientos de fabricación de moldes.
Proveedores actuales de matrices de aluminio: Actualmente se cuenta con varios
proveedores locales que fabrican las matrices por varios procesos para el tratamiento del
aluminio como fresado, moldeo con alginato, etc.
Proveedores de polímeros epóxicos: quienes ofrecen una amplia variedad de polímeros
utilizados en diversas industrias, con propiedades especiales de plásticos de ingeniería, son
fabricantes reconocidos a nivel mundial.
Proceso de vulcanizado de moldes: Es el objetivo del estudio mediante el cual se recaba
información necesaria para sustituir las matrices metálicas por epóxicos en la máquina
vulcanizadora.
INSTRUMENTOS
Se utilizaron los siguientes instrumentos:
Entrevistas: Se utilizó la entrevista como medio para obtener información acerca de los
sujetos por ser de uso práctico, directo y fácil.
Visitas técnicas: Estas se realizaron a diversos talleres en donde se fabrican matrices de
aluminio para conocer el proceso actual y tener así un marco comparativo.
Observación directa : Se realizó una observación libre, debido a que es espontánea y no
sistemática, con el propósito de captar información valiosa acerca de cómo ser desenvuelven
los procesos dentro del ámbito industrial, así como el funcionamiento de las máquinas,
características de la materia prima.
51
Mediciones experimentales: Se realizaron pruebas para comprobar la hipótesis del presente
trabajo.
EQUIPO UTILIZADO:
Máquina vulcanizadora: Utilizada para las mediciones de las condiciones de operación de la
máquina, también medición de la matriz de aluminio, prueba de resistencia de la matriz epóxica.
Horno : En éste equipo se realizó el ciclo de curado para la matriz epóxica.
Termómetro de superficie : Con el cual se tomaron las mediciones de temperatura de todo el
presente proyecto.
Por confidencialidad de la empresa, no se presentan las especificaciones del equipo.
52
3.3 PROCEDIMIENTO
Se realizaron las siguientes actividades:
• Entrevistas a Gerente de la fábrica de moldes, personal operativo del departamento de
moldes, gerentes de los diversos proveedores de matrices.
• Visitas técnicas a fabricantes de matrices de aluminio.
• Selección de materia prima (polímero epóxico) capaz de sustituir y cumplir las
funciones del aluminio en el proceso de vulcanizado de moldes, partiendo de las
propiedades fisicoquímicas de las matrices metálicas.
• Evaluación general y planteamiento de análisis de Transferencia de calor en la máquina
vulcanizadora.
• Medición de condiciones de trabajo en las máquina vulcanizadora y condiciones del
material para determinar si el proceso era efectivo, utilizando la matriz alumínica.
• Fabricación de la matriz del polímero epóxico propuesto.
• Medición de la resistencia de temperaturas del material propuesto dentro de la
máquina vulcanizadora
• Comparación de los resultados que se obtuvieron, análisis de costos, aceptación o
rechazo de la hipótesis.
• Redacción de conclusiones y recomendaciones en base a los resultados.
53
MARCO CUATRO: RESULTADOS
4.1 MEDICIÓN DE CONDICIONES DE OPERACIÓN
El primer paso fue la investigación teórica del proceso de curado del silicón HTV las propiedades de
este tipo de polímeros y su comportamiento, así como documentación de los procedimientos para
llevar a cabo dicho proceso es necesario entender la química y el proceso fisicoquímico del
vulcanizado previamente es por ello que toda esta información se presenta en el marco teórico.
4.1.1 EVALUACIÓN GENERAL Y PLANTEAMIENTO DE ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA
En el proceso de vulcanizado, que fue anteriormente descrito, los fenómenos de calor que ocurren
se ilustran en el anexo 10. Estos procesos son:
1. Conducción de las resistencias (Qc) las cuales por medio de energía eléctrica transmiten el
calor a las planchas de la máquina vulcanizadora que son de acero inoxidable, luego el
calor es transmitido a la matriz de aluminio por conducción en donde en la parte inferior
contiene el material a vulcanizar que es silicón prepolimerizado en forma de pasta tal como
lo abastece el proveedor, el mecanismo que predomina también aquí es la Conducción; no
se puede hablar de convección en este caso pues no se trata de un fluido en movimiento,
aunque el silicón sea un semisólido no se puede considerar como un fluido, y en todo caso
no está en movimiento.
2. Perdidas de calor por radiación QR como la naturaleza del flujo de calor es de la
temperatura más elevada hacia la más baja, por radiación existen pérdidas de calor hacia
el ambiente que está aproximadamente a 25°C (77°F) es por ello la importancia de aislar el
proceso con material refractario para que no existan pérdidas en altos rangos.
3. Controlar las condiciones de formación del termoestable (proceso de curado o vulcanizado)
es fundamental para conseguir las propiedades del material deseadas, la reacción en este
caso del polímero que se describe más adelante.
Dentro de los objetivos del presente trabajo no se presenta medición de las pérdidas de calor al
ambiente, solamente se harán las observaciones necesarias para el mejoramiento del proceso ya
que la medición de dichas pérdidas conllevan a una serie de análisis de índices que deben hacerse
en forma experimental para averiguar los Coeficientes de transferencia de calor, conductividades
térmicas de los materiales involucrados según de cada material involucrado; por lo tanto solo se
presenta un panorama de los fenómenos de Transferencia de calor que se llevan a cabo en el
proceso.
54
Luego se efectuaron las siguientes mediciones que daban las condiciones de trabajo reales en el
equipo a trabajar:
4.1.2 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LAS PLANCHAS DE LA MÁQUINA
VULCANIZADORA
Para este procedimiento se llevaron a cabo varias mediciones en la máquina vulcanizadora las
cuales sirvieron para determinar las temperaturas promedio de operación del equipo, ya que como
se explicó en el marco teórico, la transferencia de calor de la máquina de las resistencias hasta la
matriz es por conducción y existen muchas perdidas al ambiente por radiación debido a la falta de
aislamiento del equipo de sus alrededores es por ello muy importante esta medición. Se realizó
previamente una precalentamiento de la máquina por dos horas para tener un sistema previamente
estabilizado y con diferenciales de temperatura más pequeños; además también se precalentó dos
horas la matriz alumínica por el mismo motivo; de allí en adelante se efectuaron las mediciones
que aparecen en el anexo 11.
4.1.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN LA SUPERFICIE DE LAS MATRICES DE
ALUMINIO
Medición de temperaturas en condiciones normales de vulcanizado, con una matriz de aluminio
también esta medición se efectuó para tener las condiciones necesarias de temperatura con que se
trabajaba el vulcanizado el diagrama de puntos de medición en la matriz y sus dimensiones se
presentan en el anexo 12, los datos tabulados de las mediciones de la matriz de aluminio aparecen
en el anexo 13, así como una gráfica de los mismos en el anexo 14.
4.2 ELECCIÓN DEL EPÓXICO QUE SUSTITUIRÍA AL ALUMINIO
Elección del material epóxico con los diferentes proveedores más conocidos y experimentados en
polímeros de ingeniería. La selección se realizó investigando las propiedades de trabajo y
condiciones de operación necesarias es por ello se encontró el epóxico especial ver hoja técnica en
el anexo 15.
4.2.1 FABRICACIÓN DE LA MATRIZ EXPERIMENTAL DEL EPÓXICO
Según las especificaciones del proveedor se realizó una matriz de prueba con las mismas
especificaciones y puntos de medición de la matriz de aluminio que se evaluó para dimensiones
observar el anexo 12. Para ello se utilizó un molde de aluminio de las mismas especificaciones
especialmente fabricado para las pruebas.
55
El proceso de fabricación y curado para la matriz epóxica fue el siguiente:
1. . Mezclar la proporción indicada de la resina epóxica 29% endurecedor y 71% de resina base a temperatura ambiente en un recipiente, agitar con una varilla de vídrio hasta lograr una mezcla homogénea.
2. Dejar reposar la resina durante 24 horas a 20 °C (68°F) o temperatura ambiente en el molde que se desea dar forma.
3. Secar en horno durante 12 horas a 45°C (113°F) y luego desmoldar la pieza.
4. Secar en el horno durante 1 hora a 60°C ( 140°F).
5. Secar en el horno durante 1 hora a 80°C (176°F).
6. Secar por 2 horas en el horno a 120 °C (248°F).
7. Secar durante 4 horas a 160 °C (320°F).
8. Bajar la temperatura a razón de 20/25 °C (68/77 °F) por hora.
Figura No 15 Diagrama de Flujo del proceso de curado de la matriz epóxica. Fuente: Hoja técnica del proveedor
56
El proceso de curado fue muy difícil de controlar debido a ser la primera vez que este material se
trabajaba. Se experimentó en varias ocasiones hasta lograr la matriz necesaria con una dureza
aceptable. El epóxico propuesto tiene partículas de aluminio dentro de su composición y en las
primeras corridas no se logró un vulcanizado exitoso. El proceso de curado del epóxico conlleva
control de temperaturas estricto a las cuales la matriz fue sometida, para ello se utilizó un horno;
el propósito del curado es el mismo que en el silicón, lograr una reestructuración molecular que le
de mayor resistencia al epóxico. En el anexo 15 se presenta la hoja técnica del epóxico.
4.3 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN CONDICIONES NORMALES DE VULCANIZADO
CON UNA MATRIZ DEL EPÓXICO PROPUESTO
Los puntos de medición en la matriz del epóxico fueron los mismos que en la matriz de aluminio y
las dimensiones también, ver anexo 12. Se presentan los datos medidos y tabulados dentro de la
máquina vulcanizadora con la matriz de epóxico en el anexo 16 y la gráfica respectiva en el anexo
17.
4.4 MEDICIONES DE APOYO A LA INVESTIGACIÓN
4.4.1 MEDICIÓN DE PUNTOS DE FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR
Esta prueba se realizó para justificar la utilización de moldes vulcanizados en el proceso de
fabricación de velas, el punto de fusión es una propiedad intensiva pero al querer fundir grandes
cantidades de masa de parafina las moléculas que están en contacto con la base en donde se
aplica calor se funden, pero no todo el sistema está expuesto al mismo tiempo en el lugar de
contacto; es por ello el tiempo aumenta para lograr fundir toda una maqueta de parafina. En el
anexo 18 se presentan algunos datos para familiarizarse el punto de fusión de las candelas.
4.4.2 PRUEBA DE LA LLAMA PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL SILICÓN HTV
El comportamiento de un termofijo sometido a altas temperaturas es de destrucción, es decir no se
funde es por ello no son reciclables. Esta prueba se realizó para comprobar que le sucede a un
molde que no está vulcanizado correctamente. (Ver resultados tabulados en el Anexo 19).
4.5 ANÁLISIS DE COSTOS
En base al procedimiento hecho para la elaboración de la matriz propuesta del epóxico, y los costos
de las matrices de aluminio se presenta un cuadro con sus ventajas y desventajas de cada material.
En él se puede observar la razón primordial de haber resultado exitosa esta prueba se reducen los
costos de una gran manera. (Ver cuadro comparativo en el Anexo 20).
57
MARCO CINCO: DISCUSIÓN
La hipótesis que se evaluó en el presente trabajo de investigación proponía la sustitución de una
matriz de aluminio por un plástico que cumpliera todas las condiciones necesarias para una
máquina vulcanizadora (curado a alta presión y temperatura) , entre los aspectos limitantes del
proyecto se tenían:
- Corto tiempo para la aprobación o desaprobación del plástico ya que la producción de moldes
para la fábrica de candelas era en base a la demanda de nuevos diseños que se le fabricaban a los
clientes.
- Falta de datos del termoplástico propuesto (epóxico) por ser un material de ingeniería
especialmente sintetizado por el proveedor, no se facilitaron por éste los datos como
confidencialidad del fabricante.
- Limitantes de equipo para realizar pruebas de identificación del material, resistencia.
- Confidencialidad de los datos de operación, costos, procedimientos limitante por confidencialidad
de la empresa en donde se realizó el estudio
- Restricción de no variar ninguno de las condiciones de operación para que el vulcanizado ya
estandarizado de los moldes de silicón htv.
Las mediciones de temperatura se realizaron con un termómetro de superficie o termocupla, en
lapsos de tiempo programados cada 15 min para registrar el comportamiento de los diferentes
materiales. Se evaluó previamente la eficiencia y eficacia del sett (temperatura de la máquina
vulcanizadora que la presentan en un panel), esto fue para corregir los datos si existiese un
porcentaje alto de error del panel a los puntos de la plancha. Los datos obtenidos no fueron
satisfactorios en base a las temperaturas del sett con las evaluadas en las planchas de la máquina.
Es importante recalcar que estas temperaturas no son a las que se somete el silicón en la
fabricación del molde por las diversas pérdidas de temperatura al ambiente dentro del proceso, y
es por ello que se utiliza temperaturas por encima de los requerimientos. Para la medición de
temperatura de la plancha en la máquina vulcanizadora se realizó en dos sectores, plancha
superior e inferior. En cada una de las planchas se marcaron nueve puntos para poder tener un
dato promedio de la temperatura a la cual la máquina trabaja, con ésta prueba se pudo comprobar
que por ser una transferencia de calor conductiva de las resistencia que posee la máquina
vulcanizadora dentro de las planchas de metal y por contar con un área grande existen pérdidas de
calor por radiación al ambiente, además todas las resistencias pueden poseer partes quemadas o
dañadas debido a que las temperaturas presentaron desviaciones estándar muy altas. Existen
pérdidas de calor en esta parte del proceso, no se contaba con la capacidad calorífica del tipo de
material de las planchas para calcular el valor; además el proceso es abierto al ambiente lo que
58
hacen muy difícil la medición. Como se puede observar en las tablas de resultados de las
mediciones de las planchas, la planta inferior presenta mayores deficiencias de calentamiento. La
prueba se realizó después de un calentamiento previo de 2 horas de la máquina (que es lo que se
tarda normalmente dicha máquina) para estabilizar la temperatura; también este aspecto se hizo ya
que en base a la experiencia de la fabricación de moldes se ha comprobado que es el tiempo ideal
para el proceso.
La elección del epóxico se hizo después de consultar a los mejores fabricantes de plásticos de
ingeniería según la tabla No 4 que presenta el motivo de rechazo en la elección del material:
MATERIAL MOTIVO DE RECHAZO
Epóxico con partículas de fibra de
vidrio
Podría contaminar en alto grado los moldes que a su vez
contaminarían las velas, alterando los estándares de control
de calidad de las velas.
Epóxico reforzado con partículas de
cerámica
Punto de fusión muy bajo, presentó deformaciones al ser
sometido a altas temperaturas
Otros Se realizaron pruebas con plásticos no epóxicos que no se
mencionan debido a que fueron altamente porosos, mala
resolución de copiado y con resistencia baja a altas
temperaturas y presiones, por lo que también fueron
rechazados.
Tabla No 4. Epóxicos propuestos para elaboración de matriz que sustituiría al aluminio
El material elegido fue un epóxico reforzado con partículas de aluminio debido a que llenaba con los
requisitos necesarios de resistencia alta de temperatura, resistencia mecánica alta, buena
resolución de copiado de formas especiales y fácil de manipular. Este polímero será identificado en
el trabajo como “ epóxico “ en el anexo 15 se presentan los datos técnicos del proveedor,
nuevamente no presentan la fórmula por ser propiedad del fabricante.
El epóxico llevó un proceso de curado por ser también un polímero termoestable o termofijo,
necesita de un proceso térmico para que los enlaces que lo componen puedan estabilizarse
formando cadenas capaces de soportar las condiciones necesarias para fabricar los moldes de
silicón htv. El proceso de curado para el epóxico es el descrito en la figura No 15 en donde se
presenta el diagrama de flujo del tratamiento térmico.
59
El epóxico es un polímero que necesita ser mezclado previo al curado, las proporciones de la
mezcla son también especificadas por el proveedor, el proceso de curado es largo y debe ser
controlado estrictamente con las correcciones necesarias de temperatura para que sea efectivo, ya
que si el epóxico está mal curado difícilmente soportará las condiciones de alta temperatura y
presión para lo cual se utilizará.
La medición de la matriz de aluminio en la máquina vulcanizadora se hizo para ver el
comportamiento de la temperatura dentro de la máquina previamente calentada para tener un dato
comparativo. Se utilizaron dos matrices idénticas tanto la de aluminio como la del epóxico divididas
con cinco puntos para facilitar la medición; por ser una pieza completamente sólida la transferencia
de calor es más lenta, también es por conducción, el aluminio tiene una alta capacidad calorífica,
resistencia térmica y resistencia mecánica elevada, por lo que lo hace ser el metal utilizado por
excelencia en el proceso. Entre las desventajas del aluminio están mala calidad de copiado, costo
de elaboración alto y es fabricada la matriz de una manera artesanal, lo que provoca tenga
muchos errores en el diseño. Los datos de las mediciones de temperatura de la matriz alumínica, se
encuentran en el anexo 13 al igual que la gráfica de las mismas presentada en el anexo 14, la
matriz se calentó durante 2 horas antes de iniciar con la producción de moldes de silicón htv y la
temperatura ideal para vulcanizar es 195°C (383°F) mientras debe estar por encima de 230°C
(446°F) de nuevo esto es para evitar que las pérdidas de calor afecten la operación de vulcanizado.
Después de fabricar y curar una matriz de idénticas proporciones a la de aluminio de epóxico se
sometió a las mismas condiciones que a la matriz de aluminio, y entre las inconveniencias que
presentó fueron:
• Mala conducción de calor: los plásticos son malos conductores es por ello este plástico
posee en su formulación partículas de aluminio pero no fueron suficientes ya que las
temperaturas presentaron un comportamiento casi estacionario en la matriz, aspecto que
no es conveniente para el fin de la máquina que debe tener una temperatura homogénea
para vulcanizar el molde de silcón htv completamente.
• El proceso de curado es tedioso y complicado, se debe tener un control exacto de las
temperatura de curado, por lo que se tuvo que experimentar varias veces para poder darle
un tratamiento térmico exitoso a la matriz.
Se expuso la matriz de epóxico por un mayor tiempo esperando un comportamiento positivo para la
prueba (ver datos en los anexos 16 y 17) pero las diferencias de temperatura siguieron muy
marcadas y cuando una de las superficies en contacto directo con las planchas de la máquina
60
vulcanizadora llegó a una temperatura muy elevada en el punto E; después de 3 hrs de
calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora se presentó una deformación en la
matriz, el plástico llegó a su punto de ignición y se destruyó. La temperatura del punto E era
115.58°C (240.04°F) aunque la especificación del fabricante aseguraba que el material soportaba
una temperatura de 195°C (383°F), el fabricante también aclara que todos los datos pueden variar
ya que son experimentales. Es por esta razón principalmente unida a la mala conductividad térmica
hacia el punto medio de la matriz que la hipótesis de esta tesis es RECHAZADA.
5.1 CONCLUSIONES
• Al ser rechazada la hipótesis, no se lograron los objetivos de la investigación pero servirá
para dar las bases de estudios similares y posteriores sobre sustitución de metales por
polímeros.
• El proceso de fabricación de moldes de silicón htv por moldeo por compresión y alta
temperatura debe ser eficiente y controlado para lograr moldes de calidad que sean
curados a la temperatura crítica ideal para que sean útiles en el proceso de fabricación de
velas.
• El porcentaje de eficiencia de la temperatura del sett de la máquina vulcanizadora vrs las
temperaturas reales de las planchas tienen un alto porcentaje de error en base a sus
relaciones estándar, lo que significa que la máquina tiene un funcionamiento deficiente, la
plancha superior está más fría que la inferior; es por ello se recomienda darle un
mantenimiento preventivo para que no fallen en el futuro.
• El aluminio es el material ideal para el proceso de curado de moldes de silicón htv debido a
sus propiedades únicas de alta resistencia térmica, mecánica y buena conductividad
térmica al tratar de sustituirlo por un epóxico con partículas de aluminio.
• El epóxico reforzado con partículas de aluminio por ser un plástico de ingeniería, es un mal
conductor de calor, lleva un proceso complicado de curado además que se destruyó al
llegar a un rango de temperatura menor que lo que las especificaciones que el proveedor
indicaba. Esto puede ser debido a que el punto de ignición es mucho más bajo que el
teórico que el proveedor indica.
• Los perfiles de temperatura en el transcurso del tiempo del proceso no son lineales como
deberían de ser idealmente, debido a las pérdidas de calor al ambiente.
61
5.2 RECOMENDACIONES
• Se recomienda no utilizar este tipo de plástico de ingeniería para sustituir al aluminio en el
caso particular de la fabricación de moldes htv, debido a que tiene mala conductividad
térmica y además a pesar de haber llevado un proceso de curado del epóxico fue incapaz
de soportar una alta temperatura, por el contrario el aluminio soporta altas temperaturas
por largos tiempos debido a que es un metal, y no sufre deformaciones significativas.
• También recubrir todo la máquina vulcanizadora con material refractario para evitar tantas
pérdidas de calor ya que es parte del control de costos que se deben tener, previo a un
diseño adecuado del recubrimiento aislante que no afecte el funcionamiento de la máquina.
• No se recomienda este tipo de plástico como el epóxico presentado en la investigación para
sustituir al aluminio en la fabricación de matrices para proceso térmicos como es el
vulcanizado de moldes de silicón, si en dado caso existiera la posibilidad de hallar uno debe
ser el parámetro de elección no solo las propiedades fisicoquímicas y de resistencia sino las
propiedades de conductividad térmica y un alto punto de ignición.
• Establecer un control de calidad para el proceso de producción de moldes, que contemple
aspectos como control de materias primas, proceso de vulcanizado (estudio de tiempos y
movimientos del proceso) y control de producto terminado en el caso de los moldes que
luego se utilizarán en la fabricación de velas. Esto servirá para eliminar los punto críticos
dentro del departamento de moldes.
• Implementar un plan de seguridad industrial para todos los procedimientos involucrados en
la fabricación de moldes y también mejoras de seguridad industrial dentro de la empresa
manufacturera.
• Buscar soluciones alternativas para reducir el impacto ambiental de la fabricación de
moldes de htv, ya que aunque no se conoce todavía la técnica para su reciclaje, se puede
buscar otros usos para dichos moldes .
• Tener un control adecuado del almacenaje de los moldes ya fabricados por vulcanizado de
silicón htv para que no sufran daños como deformaciones por mal almacenamiento.
62
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Achaerandio Zuazo, Luis S.J., (1995)Iniciación a la Práctica de la Investigación, Universidad
Rafael Landívar, Guatemala.
After Odian, George, (1991), “Principles of polymerization”,(3° Edición) , J Wiley. New York,
USA.
Askeland, Donald R, (1987), “ La ciencia e ingeniería de los materiales”, Grupo Editorial
Iberoamérica, México.
Cowie J.M.G, (1991), “Polymers: Chemistry and physics of Modern Materials”, ( 2° Edición),
Blackie Grasgow, USA.
Gómez Antón, María Rosa y Bercero,Gil, (2000), “Educación medioambiental: Los plásticos y
su reciclado” , Universidad Nacional de Educación a distancia, Madrid España.
McCabe Warren, L; Smith, Julian; y Harriott, Peter, (1991), “Operaciones Unitarias en
Ingeniería Química”, (4ª edición), Edit Mc Graw Hill,España.
Perry, Robert; Green, Don; y Maloney,James, (1992), “Perry Manual del Ingeniero Químico”,
Tomos I y II, (4a edición), Mc Graw Hill, México.
Shackerford J ,(1995), “Ciencia de Materiales para Ingenieros Químicos”,(4ª edición), Mc
Graw Hill, México.
63
Valiente Barderas, Antonio, (1990), “Diccionario de Ingeniería Química”,(1ª edición), Longman
de México Editores S.A, México.
Wordingham , J.A y Rebual P,(1980), “Diccionario de Plásticos”, Editorial Victor Leví SRL Don
Bosco 3834, Buenos Aires, Argentina.
Young, R.J., (1989),“Introduction to Polymers”,Prentice & Halll,USA.
64
ANEXO 1: PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL ALUMINIO PURO
Según Perry(1992) los datos del aluminio puro son:
Símbolo Al
Número atómico 13
Peso atómico 26,98
Cristalización en la red cúbica centrada en las caras Lado a = 4,04 -8 cm
Peso específico 2,699
Conductividad eléctrica a 20 ºC 34,6 m/Ohm.mm 2
Resistividad eléctrica a 20ºC 2,655 microhms.cm 2 /cm
Conductividad calorífica a 0ºC 0,53 cal/cm X S.ºC
Coeficiente de dilatación lineal de 20ºC a 100ºC 23,6 X 10 -6 X ºC
Punto de fusión 660ºC
Calor latente de fusión 94,5 calorías/gr
Calor específico medio 0,215 cal/g. ºC
Punto de ebullición 2.450ºC
Calor de combustión 380,8 K. Cal/mol
Equivalente electroquímico 0,3354 gr/amp.hora
Módulo de elasticidad 7.200 kg/mm 2
Resistencia a la tracción fundido 9-12 kg/mm 2
Resistencia a la tracción laminado (duro) 18-28 kg/mm 2
Resistencia a la tracción recocido ( blando) 7-11 kg/mm 2
Dureza fundido 24-32 HB
Dureza laminado duro 45-60 HB
Dureza recocido 15-25 HB
Alargamiento fundido 18-25%
Alargamiento laminado duro 3-5%
Recocido 30-45%
Contracción al solidificarse fundido en arena 1,600%
Contracción al solidificarse en coquilla 1,825%
Debido que las aleaciones de cada una de las matrices varían según el proveedor que se utilizó, se
usarán las anteriores propiedades del aluminio como referencia.
65
ANEXO 2 : REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LOS
POLÍMEROS
Figura No 16 Cuatro formas de representar la estructura de un polímero: (a) Modelo sólido tridimensional.(b) Modelo espacial tridimensional. (c) Modelo bidimensional que muestra la forma de la cadena polimérica. (d) Modelo bidimensional simple.
66
ALGUNOS DATOS DE COMPUESTOS TERMOFIJOS:
NOMBRE MONÓMERO APLICACIONES TÍPICAS
Epoxis
R y R´son moléculas complejas polifuncionales
Adhesivos , compuestos de fibra de vidrio, revestimientos,etc
Silicones
Empaques, adhesivos,etc
Fuente: Shackelford (1995).
Polímero Estructura Resistencia a la tensión (psi)
Elongación (%)
Módulo de elasticidad (ksi)
Epóxicos
4000 –15000 0-6 400-500
Silicones
3000-4000 0 1200
Fuente: Askeland (1987).
67
ANEXO 3: DATOS TÉCNICOS DEL SILICÓN HTV
Descripción del Producto:
El silicón HTV es un elastómero de alta resistencia con Shore A 35-50. Están diseñados con
aditivos especiales para resistir altas temperaturas.
Datos típicos del producto:
PROPIEDADES DATOS
Gravedad especifica 1.09 ±0.3
Apariencia Traslúcida
Presentación Pasta para vulcanizar
Aplicaciones:
El silicón HTV es un elastómero con propiedades para utilización en moldeo a altas temperaturas
para diferentes tipos de materiales.
Especificaciones:
Los datos típicos del producto no tienen especificaciones, su fórmula es propiedad del proveedor.
Aditivos:
NOMBRE NOMBRE CIENTÍFICO CANTIDAD PROPIEDADES
Agente estabilizador de calor
**** 1% Gravedad específica = 1.27 Apariencia= off white
retardador de flama **** **** ****
agente de poscurado **** **** ****
agente plastificante **** **** ****
Reduce el tiempo de curado
Bis 2,4-dichlobenzoyl peróxido CAS # 133-14-2 óxido de magnesio
1% ****
Tiempos de curado:
La temperatura ideal para curado es 192°C (378°F) por 10 min, pero depende de la cantidad de la
masa.
PROPIEDAD PRECURADO POSCURADO
Dureza (Shore) 32 35
Fuerza tensil (psi) 1000 1100
% de elongación 900 750
68
ANEXO 4: DIAGRAMA DE INTERACCIÓN POR DEPARTAMENTOS DE LA
EMPRESA PARA LA PRODUCCIÓN CANDELAS
Silicón (RTH) : silicón que no necesita de curarse se polimeriza a temperatura ambiente, posee corto tiempo de vida por
no tener un proceso térmico de estabilización de material, apto solo para muestras de laboratorio no producción.
69
ANEXO 5: DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO PRODUCCIÓN MOLDES
A. PROCESO GENERAL DE FABRICACIÓN DE MOLDES VULCANIZADOS
1. Aprobación del proyecto de mercadeo y estándares definidos por
Investigación y desarrollo
2. Diseño de la matriz requerida, verificar funcionamiento más eficiente, hacer
el pedido al proveedor.
3. Fabricación de la matriz por el proveedor, supervisión del desarrollo de la
matriz.
4. Pruebas pilotos en la máquina vulcanizadora para la fabricación de moldes
vulcanizados, en este paso se define proceso, tiempos de curado, cantidad de
moldes a producir, documentar procedimiento.
5. Fabricación de moldes vulcanizados para producción posterior de velas.
B. PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO POR EL PROVEEDOR
1. Reproducción por copiado del diseño de la matriz de madera que se desea
producir, para esto aplican una capa espesa de alginato alrededor de la matriz
de madera de donde sacan el negativo de la matriz.
2. Una vez realizado el molde de alginato, se procede a fundir la aleación de
aluminio de la que estará fabricada la matriz, luego se enfría a temperatura
ambiente y se desmolda.
3. Con una máquina fresadora se le dan los acabados a la matriz . Y se le
70
perfora el agujero en donde va el tornillo que ensamblará con la máquina
vulcanizadora (si fuese necesario).
4. Si es necesario se crea la cavidad para la máquina vulcanizadora dejando
1.27 cm (0.5 pulg ) de luz entre la matriz y la cavidad.
5. La matríz alumínica es entregada al comprador para que se efectúen las
pruebas respectivas.
DEPTO DE MOLDES EMPRESA MANUFACTURERA DE VELAS
71
C. PROCESO DE LA MATRIZ PROPUESTA DE EPÓXICO
1. Mezclar la proporción indicada de la resina epóxica 29% endurecedor y 71% de resina base a temperatura ambiente en un recipiente, agitar con una varilla de vidrio hasta lograr una mezcla homogénea.
2. Dejar reposar la resina durante 24 horas a 20 °C (68°F) o temperatura ambiente en el molde que se desea dar forma.
3. Secar en horno durante 12 horas a 45°C (113°F) y luego desmoldar la pieza.
4. Secar en el horno durante 1 hora a 60°C ( 140°F)
5. Secar en el horno durante 1 hora a 80°C (176°F)
6. Secar por 2 horas en el horno a 120 °C (248°F)
7. Secar durante 4 horas a 160 °C (320°F)
8. Bajar la temperatura a razón de 20/25 °C (68/77 °F) por hora
72
D. PROCESO DE VULCANIZADO DE MOLDES DE SILICÓN HTV
1. Pruebas piloto con la matriz de aluminio para verificar funcionamiento
adecuado de la matriz en la máquina vulcanizadora, desplazamiento de
material, ensamble exitoso.
2. Si el diseño es nuevo agregar en exceso silicón HTV en la matriz
ensamblada y variar los tiempos de exposición del material hasta lograr un
curado exitoso.
3. Estandarizar el proceso, masa, temperatura y tiempo de residencia del
molde en la máquina vulcanizadora.
6. Iniciar la producción planificada.
7. Entrega de moldes al departamento de producción de la empresa
DEPTO DE MOLDES EMPRESA MANUFACTURERA DE VELAS
73
ANEXO 6: PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO
A. HACER LA MATRIZ DE ALUMINIO A continuación se grafica un método para realizar matrices. Las fotografías fueron
tomadas en la fábrica de matrices de una empresa que se dedica al negocio. Se debe de
hacer un molde de silicón con la mayor definición del modelo (objeto original que se
quiere reproducir) posible, después de esto seguir el siguiente proceso:
1. Derretir el metal: Derretir el metal. Una vez derretido el metal dejar en el fuego el tiempo requerido antes de llenar el molde.
2. Preparar el Molde: El Molde debe de limpiarse cuidadosamente y después se le aplica desmoldante en la parte interna y luego se procede a precalentarlo.
3. Llenar el molde con el metal derretido: Con todas las normas de seguridad industrial se procede a llenar el molde preparado con el metal derretido.
4. Desmoldar: Cuando la matriz este totalmente fría (a temperatura ambiente) se procede a desmoldar.
74
5. Maquinar la matriz: Perforar un agujero para que se pueda adherir posteriormente la matriz a la máquina vulcanizadora.
NOTA: Por confidencialidad de la empresa no se exponen las temperaturas, tiempos y datos de proceso de fabricación de matrices de aluminio. FUENTE: Fotos tomadas dentro de una fábrica de matrices
75
ANEXO 7: ENSAMBLAR EL MOLDE PARA VULCANIZAR El molde para vulcanizar está compuesto por dos partes: La cavidad o hembra y la parte central o macho. El ensamble del molde para introducirlo a la vulcanizadora es uno de los procesos mas críticos de todos, ya que si no se ensambla correctamente existe el peligro de romper el molde. A continuación se describen los pasos para un ensamble exitoso. 1. Conocer el Molde: Inspeccionar cuidadosamente la matriz para poder aprender a ensamblarla, y posteriormente documentar en el archivo del molde la forma de ensamble del mismo.
2. Colocarle el Material para Vulcanizar Una vez se ensambla el molde se procede a colocarle el material adentro del casco. Se debe de colocar el 25% mas del peso del molde final. Si no se conoce el peso del molde final, se debe colocar en exceso, para que con el moldeo por compresión se logre evitar que se atrape aire dentro del molde final una vez se vulcanice.
3. Alinear el Molde: Una vez ensamblado con el material a vulcanizar se procede a alinear el molde, haciéndole presión en la parte superior para ver que las parte ensamblen correctamente y no se traslapen, una vez estén adentro de la vulcanizadora. Si el molde no se alinea bien la vulcanizadora lo romperá cuando inicie el proceso del vulcanizado.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
76
ANEXO 8: VULCANIZADORA
1. Encender/Apagar 6. Graduador de Presión 2. Barómetro 7. Botón para Abrir 3. Cronómetro programable 8. Nivel de Aceite Hidráulico 4. Termómetro 9. Micro Switch 5. Botones para cerrar FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
1
2
3
4
5
6
8
7
9
77
DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE LA VULCANIZADORA 1. Encender/ Apagar: Este “switch” es para encender o apagar la vulcanizadora, una vez se encienda se prenderán las luces arriba y abajo del mismo indicando que están calentando la placa correspondiente a cada luz. La vulcanizadora tarda aproximadamente 2 horas en calentar.
2. Barómetro y 3. Cronómetro programable: El Barómetro nos indica la presión a la que se esta sometiendo el molde. El Cronómetro programable se le puede asignar un tiempo de curado para que este abra automáticamente una vez alcance este tiempo. El Cronómetro se puede apagar para que la apertura de la vulcanizadora sea manual.
4. Termómetro: Indica la temperatura de la placa de la vulcanizadora, ésta temperatura no necesariamente es la temperatura adentro del molde.
5. Botón para cerrar: Al presionar los botones se empieza a cerrar la vulcanizadora. Ambos se tienen que empujar al mismo tiempo para que cierre.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
78
6. Graduador de Presión : Ésta llave regula la presión que se va a someter el molde, esta se puede ver en el Barómetro. La presión a la cual se debe de someter el molde es la que pueda cerrar por completo el molde sin tener ningún espacio entre una parte del molde y otra
7. Botón para Abrir: Se utiliza para abrir manualmente cuando no se haya programado la Vulcanizadora con el cronómetro.
8. Nivel de Aceite Hidráulico: Indica el nivel de aceite hidráulico que hay en la vulcanizadora. Cuando el aceite este bajo se debe de colocar más en la vulcanizadora en el recipiente que esta colocado en la parte de atrás de esta (ver la segunda figura).
9. Micro “switch” Es el activador para la presión alta de la vulcanizadora y debe de ser ajustado dependiendo de la altura del molde. Una vez se activa el Micro “switch” la vulcanizadora cierra automáticamente hasta la presión preestablecida, por lo que se debe de asegurar de que el molde esté bien ensamblado y alineado, y que esté en el centro de la placa de la vulcanizadora, ya que una vez se activa ya no se podrá adecuar nada más.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
Recipiente para colocar Aceite Hidráulico
79
ANEXO 9: VULCANIZAR Para poder vulcanizar se deben de tomar en cuenta tres factores:
1. La temperatura a la cual se va a exponer el molde (las placas de la vulcanizadora). 2. La presión a la cual se va a someter. 3. El tiempo de exposición.
Estos tres factores son variables dependiendo de cada molde, por lo que se tiene que evaluar la primera vez y registrar los parámetros en el archivo de cada molde. 1. Encender la Vulcanizadora Se debe de encender la vulcanizadora. Esta tarda aproximadamente 2 horas en calentar a la temperatura deseada.
2. Ajustar la Temperatura Ajustar la temperatura en los controles atrás de cada placa según la temperatura que se necesite. Las luces rojas de cada placa se activarán cuando se estén calentando.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
Ajustes de Temperatura independientes para
cada Placa de la Vulcanizadora
Luces que indican el calentamiento
independiente de cada placa de la
Vulcanizadora
80
3. Alinear el Molde. Una vez ensamblado con el material a vulcanizar se debe de alinear el molde haciéndole presión en la parte superior para ver que las parte ensamblen correctamente y no se traslapen una vez estén adentro de la vulcanizadora. Si el molde no se alinea bien la vulcanizadora lo romperá una vez iniciado el proceso del vulcanizado.
4. Colocar el molde en la Vulcanizadora: Colocar el molde en el centro de las placas de la vulcanizadora. Si el molde no se coloca en el centro de las placas de la vulcanizadora se romperá el pistón de la misma.
5. Ajustar el Micro “switch”: Para poder ajustar el micro “switch” se debe de medir la altura del molde y basándose en esta medida, se ajusta para que active la vulcanizadora medio centímetro por encima del molde cuando se programe el cierre automático.
6. Ajustar el Cronómetro: Si se sabe el tiempo de curado del molde se ajusta el cronómetro a dicha valor. Si no se sabe el tiempo de curación se debe de apagar el cronómetro y cuantificar este tiempo para establecerlo en las siguientes vulcanizadas del nuevo molde.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
81
7. Cerrar las placas : Una vez se hayan ajustado los parámetros de tiempo y temperatura se procede a cerrar las placas de la vulcanizadora presionando los dos botones de cerrado simultáneamente. Se debe de cerrar poco a poco asegurándose que el molde esté alineado y centrado en las placas.
8. Ajustar la Presión : Una vez se active el Micro “switch” la vulcanizadora empezará a cerrar automáticamente llegando a la última presión con que se estuvo trabajando. Si no se conoce la presión para dicho molde se tiene que regular hasta que se cierre por completo el mismo; si se conoce el dato, se debe de ajustar por medio de la llave de regulación de presión.
9. Apertura de las placas Si el cronómetro está encendido las placas se abrirán automáticamente una vez concluya el tiempo preestablecido. Si el cronómetro se encuentra apagado o, se tendrá que abrir manualmente presionando el botón de apertura.
10. Desmolde Una vez se abran las placas de la vulcanizadora se retira el molde y desmoldarlo. Tener mucho cuidado ya que el molde estará a alta temperatura.
FUENTE: Fotos en el departamento de moldes de la empresa fabricante de velas.
La presión se debe de ajustar para que el molde se cierre por completo.
82
ANEXO 10: ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA
DE CALOR EN LA MÁQUINA VULCANIZADORA
Donde:
QC= Calor transferido por conducción
QR= Calor transferido por radiación
83
ANEXO 11: MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN
LAS PLANCHAS MÁQUINA VULCANIZADORA
Esta prueba se realizó para medir la exactitud de la temperatura que presenta el panel de la
máquina vulcanizadora con respecto a los valores reales en la plancha.
DATOS PLANCHA INFERIOR
Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : Julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
Diagrama de las planchas de la máquina vulcanizadora para la ubicación de los datos en la tabla.
Medición de la temperatura real en la plancha inferior de la máquina vulcanizadora con 2 horas de
calentamiento previo. La temperatura del “sett” corresponde al dato mostrado en el panel de la
máquina.
% error = ((Dato teórico – dato experimental)/ Dato teórico)*100 =((T sett- T prom)/Tsett)*100
A D G
B E H
C F I
Punto de medición
medición 1 cronómetro
00:00:00
medición 2 cronómetro
00:15:00
medición 3 cronómetro
00:30:00
T (°C) sett 197.49 203.64 216.00A 201.35 204.18 210.98B 213.04 221.40 235.85 Punto más calienteC 191.51 207.87 218.55D 195.57 201.72 213.28E 206.64 217.71 229.45F 202.95 204.18 209.75G 172.20 177.12 184.29 Punto más fríoH 194.34 205.41 212.90I 178.35 188.19 201.00Promedio 195.11 203.09 212.89 PromedioDesviación std 13.11 13.59 15.03Valor máximo 213.04 221.40 235.85Valor mínimo 172.20 177.12 184.29% de error 1.21 0.27 1.44
Tem
pera
tura
de
la p
lanc
ha in
ferio
r (
°C)
Mediciones en la plancha inferior
84
DATOS PLANCHA SUPERIOR
Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
Diagrama de las planchas de la máquina vulcanizadora para la ubicación de los datos en la tabla de
la plancha superior.
Medición de la temperatura real en la plancha superior de la máquina vulcanizadora con 2 horas de
calentamiento previo.
% error = ((Dato teórico – dato experimental)/ Dato teórico)*100 =((T sett- T prom)/Tsett)*100
J M P
K N Q
L O R
Punto de medición
medición 1 cronómetro
00:00:00
medición 2 cronómetro
0:15:00
medición 3 cronómetro
0:30:00
T (°C) sett 197.49 203.64 216.00J 190.13 193.25 208.45 Punto más calienteK 178.54 182.71 187.68L 145.22 148.10 152.04 Punto más fríoM 187.55 191.25 196.81N 151.22 161.25 167.28O 150.52 159.47 163.21P 189.22 192.58 195.22Q 160.01 207.28 214.46R 164.33 167.45 171.95promedio 171.42 178.15 184.12Desviación std 18.08 19.78 21.53Valor máximo 190.13 207.28 214.46Valor mínimo 145.22 148.10 152.04% de error 13.20 12.52 14.76
Tem
pera
tura
de
la p
lanc
ha s
uper
ior
(°C
)
Mediciones en la plancha superior
85
ANEXO 12: DIAGRAMA DE DIMENSIONES DE LAS
MATRICES Y DE PUNTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Diagrama de la matriz de epóxico fabricada para las pruebas.
86
ANEXO 13: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN
DE LA MATRIZ DE ALUMINIO
Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
La matriz se introdujo en la máquina después de 2 horas de calentamiento de la máquina
vulcanizadora.
La temperatura óptima para vulcanizar los moldes de silicón es de 195°C (383°F) pero las pérdidas
al ambiente de calor se toman 50°C (122°F) de margen de pérdidas al exterior. Aquí los moldes
son exitosamente curados.
Tiempo cronómetroSett °CPuntos
ABCDEPromedio
Aluminio
199.15198.56209.87201.67
201.85194.428
201.12
212.32204.204
Aluminio190.21190.1
188.31181.55191.22180.06
Aluminio183.66182.98180.33193.89197.12187.596
Aluminio177.41175.89174.21
216.00 228.14 232.54 234.5800:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00
Tiempo cronómetroSett °CPuntos
ABCDEPromedio
260.30Aluminio
247.40238.93
228.97234.18230.95
244.74249.63248.20
Aluminio242.15229.28220.15212.34
236.13237.79
Aluminio
221.15225.91217.58 225.344
222.21218.25
Aluminio215.15214.12211.57
239.44 243.12 249.12 253.1701:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00
87
CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO
SISTEMA INGLÉS (°F)
Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
La matriz se introdujo en la máquina después de 2 horas de calentamiento de la máquina
vulcanizadora.
La temperatura óptima para vulcanizar los moldes de silicón es de 195°C (383°F) pero las pérdidas
al ambiente de calor se toman 50°C (122°F) de margen de pérdidas al exterior. Aquí los moldes
son exitosamente curados.
Tiempo cronómetroSett °FPuntos
ABCDEPromedio 356.10 369.67 381.97 399.57
376.20 386.82 395.33 414.18358.79 381.00 395.01 409.77345.58 356.59 370.96 389.41348.60 361.36 374.18 390.47351.34 362.59 374.38 394.02
Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio420.80 442.65 450.57 454.24
00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00
Tiempo cronómetroSett °FPuntos
ABCDEPromedio 423.64 437.62 448.78 478.76
438.64 431.98 473.27 500.54430.07 424.85 444.15 472.53412.83 414.21 428.27 462.07417.42 457.03 444.70 477.32419.27 460.02 453.52 481.33
Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio462.99 469.62 480.42 487.71
01:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00
88
ANEXO 14: GRÁFICA DE LOS DATOS DE TEMPERATURAS
DE MEDICIÓN DE LA MATRIZ DE ALUMINIO
Gráfica de Temperatura vrs tiempo en mediciones en la Matriz de Aluminio
160
180
200
220
240
260
280
0 20 40 60 80 100 120 140
Tiempo (min)
Tem
pera
tura
(°C
)
A
B
C
D
E
NOTA:
El comportamiento de la gráfica en sistema inglés (°F) es el mismo.
91
ANEXO 16: CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE
EPÓXICO
Realizada por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
OBSERVACIÓN:
En el punto E, después de 3 hrs de calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora, se
presentó una deformación en la matriz; el plástico se comenzó a incendiar (llegó a su punto de
ignición). En celeste se presenta el punto más frío en la matriz de epóxico.
Tiempo cronómetroSett °CPuntos
ABCDEPromedio
Epóxico
45.16
63.6142.2538.0836.7957.0847.5643.20
Epóxico57.2539.6837.01
56.1235.7433.98
52.1140.93
Epóxico55.4137.5435.0434.9853.01
Epóxico52.0133.2533.31
216.00 228.14 232.54 234.5800:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00
Tiempo cronómetroSett °CPuntos
ABCDEPromedio
43.5866.5758.30
Epóxico81.5460.1451.1246.2570.1561.84
Epóxico76.2555.2149.87
33.0455.8746.45
Epóxico72.7151.4145.5641.8563.1254.93
Epóxico62.9842.7737.58
239.44 243.12 249.12 253.1701:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00
Tiempo cronómetroSett °CPuntos
ABCDEPromedio
60.8195.4777.44
Epóxico89.4778.2562.1563.15115.5881.72
Epóxico98.7774.1558.01
51.2575.1566.29
Epóxico93.1570.2956.0156.8781.4471.55
Epóxico86.1264.8754.08
261.12 265.87 270.14 274.1502:15:00 02:30:00 02:45:00 03:00:00
92
CUADRO DE TEMPERATURAS DE MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPÓXICO
(SISTEMA INGLÉS)
Mediciones realizadas por : Ana Helen Franco Arroyo
Fecha : julio/2003
Lugar: Fábrica de moldes de una empresa de manufactura de velas
OBSERVACIÓN:
En el punto E después de 3 hrs de calentamiento directa dentro de la máquina vulcanizadora se
presentó una deformación en la matriz, el plástico se comenzó a incendiar (llegó a su punto de
ignición). En celeste se presenta el punto más frío en la matriz de epóxico.
Tiempo cronómetroSett °FPuntos
ABCDEPromedio 105.68 109.75 113.29 117.61
125.80 127.42 133.02 134.7493.16 94.96 96.33 98.2291.96 95.07 98.62 100.5491.85 99.57 103.42 108.05125.62 131.74 135.05 146.50
Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico420.80 442.65 450.57 454.24
00:15:00 00:30:00 00:45:00 01:00:00
Tiempo cronómetroSett °FPuntos
ABCDEPromedio 115.61 130.87 136.93 143.31
132.57 145.62 151.83 158.2791.47 107.33 110.44 115.2599.64 114.01 121.77 124.02108.99 124.54 131.38 140.25145.36 162.88 169.25 178.77
Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico462.99 469.62 480.42 487.71
01:15:00 01:30:00 01:45:00 02:00:00
Tiempo cronómetroSett °FPuntos
ABCDEPromedio 151.33 160.79 171.40 179.10
167.27 178.59 203.85 240.04124.25 134.37 141.46 145.67129.34 132.82 136.42 143.87148.77 158.52 165.47 172.85187.02 199.67 209.79 193.05
Epóxico Epóxico Epóxico Epóxico502.02 510.57 518.25 525.47
02:15:00 02:30:00 02:45:00 03:00:00
93
ANEXO 17: GRÁFICA DE TEMPERATURAS DE
MEDICIÓN EN MATRIZ DE EPOXICO
Gráfica de Temperatura vrs tiempo en mediciones de la matriz de Epóxico
15
35
55
75
95
115
0 50 100 150 200
Tiempo (min)
Tem
pera
tura
(°C
) A
B
C
D
E
NOTA:
El comportamiento de la gráfica en sistema inglés (°F) es el mismo.
94
ANEXO 18: MEDICIONES DE PUNTO DE
FUSIÓN DE VELAS DE PARAFINA Y CLEAR
El silicón es utilizado para moldes de candelas aromáticas debido a su alta inercia, estabilidad y
porque es capaz de soportar temperaturas de llenado altas sin sufrir deformaciones; es por ello
que se vulcanizan dichos moldes.
El punto de fusión es una propiedad intensiva, es decir, no depende de la masa; es por ello se
realizaron las mediciones con muestras significativas para ejemplificar las altas temperaturas de
llenado en una fábrica de velas.
Prueba realizada por : Helen Franco
Lugar: Laboratorio de Orgánica, Universidad Rafael Landívar
Fecha: 2 de marzo de 2004
Material
Tara papel
Peso Neto
Peso Bruto
Punto de fusión
Temperatura a la
cual se fundió
toda la masa de
la muestra
(g) (onz) (g) (onz) (g) (onz) (°C) (°F) (°C) (°F)
PARAFINA valor 1 0.62 0.021 2.00 0.07 2.62 0.091 62 144 110 230
PARAFINA valor 2 0.69 0.024 2.00 0.07 2.69 0.094 60 140 106 223
PARAFINA promedio 0.66 0.023 2.00 0.07 2.66 0.093 61 142 108 226
RESINA CLEAR valor 1 0.63 0.022 2.00 0.07 2.63 0.092 90 194 120 248
RESINA CLEAR valor 2 0.62 0.022 2.00 0.07 2.62 0.092 90 194 118 244
RESINA CLEAR promedio 0.62 0.022 2.00 0.07 2.62 0.092 90 194 119 246
La prueba se realizó en tubos de ensayo, dentro de un beaker calentado con un mechero de
bunsen, el beaker contenía vaselina líquida y un termómetro adherido al tubo de ensayo.
95
ANEXO 19: RESULTADO PRUEBA DE LA LLAMA PARA EL SILICÓN HTV
Prueba realizada por : Helen Franco
Lugar: Laboratorio de Orgánica Universidad Rafael Landívar
Fecha: 2/marzo/04
Esta prueba consiste en una forma cualitativa para identificar un tipo de polímero, se realizó con el
silicón HTV, ya que por ser un termofijo no funde, solamente se destruye. Es por eso la importancia
de tener el control de temperatura de vulcanizado correcto: explica el comportamiento de este tipo
de plásticos a altas temperaturas no se funden se destruyen al llegar a su punto de ignición.
Dentro de la llama del mechero de Bunsen:
Inflamabilidad: El silicón HTV es altamente inflamable. Cuando se tuvo dentro de la llama
comenzó a arder solo y al sacarlo seguía ardiendo hasta formar una ceniza blanca destruyéndose
completamente el polímero.
Aspecto de la llama : La llama era amarilla-anaranjada brillante.
Olor de los vapores: Los vapores presentaron olor a hule quemado, no tenía ningún olor
diferente a un hule calcinado.
Fuera de la llama del mechero de Bunsen:
Presentó las mismas características que dentro de la llama
Según la tabla que identifica un plástico con las anteriores características mencionadas, el plástico
es: por tener una inflamabilidad que arde en la llama, no se autoextingue; con un
aspecto de la llama brillante amarilla, y un olor de goma o hule quemado, entonces el
plástico contiene POLICLOROPRENO ó ESTRATIFICADOS DE RESINAS FENÓLICAS.
96
ANEXO 20: ANÁLISIS DE COSTOS DE FABRICACIÓN DE MATRICES
Costos de Matriz ALUMINIO Costo de matriz metálica 1 Kg (2.20 lb) $ 600.00 VENTAJAS Durabilidad de la matriz Transferencia de calor mejor que la del EPÓXICO DESVENTAJAS Costo alto La resolución es menor que la del EPÓXICO Presenta deformaciones El tiempo de elaboración es de 15 dias
Costo de Matriz de EPÓXICO
Materiales Costo de Kilo de EPÓXICO 1 Kg (2.20 lb) $ 12.75
Molde para verter EPÓXICO $ 15.50
Gas
tos
de E
nerg
ía E
léct
rica
Costo/hora de energía eléctrica $ 2.00
1er. Curado (24 Hrs) @ 20°C (68 °F) $ 48.00
2do. Curado (12 Hrs) @ 45°C (113 °F) $ 24.00
3er. Curado (1 Hr) @ 60°C (140 °F) $ 2.00
4to. Curado (1 Hr) @ 80°C (176 °F) $ 2.00
5to. Curado (2 Hrs) @ 120°C (248 °F) $ 4.00
6to. Curado (4 Hrs) @ 160°C (320 °F) $ 8.00 Enfriamiento a razón de 20/25°C (68/77 °F) por hora $ -
MOD Costo de mano de obra por Hora (1 persona) $ 1.56
TOTAL $ 119.81 VENTAJAS Costo bajo Se tiene bajo control de la empresa el proceso de fabricación La resolución es mejor que la de la matriz fundida El tiempo de elaboración es de 8 días DESVENTAJAS Baja transferencia de calor por ser un polímero En su elaboración requiere de un control estricto
97
ANEXO 21: GLOSARIO
Definiciones tomadas de Valiente (1990):
Calor de fusión: Cantidad de energía calorífica necesaria para convertir una cantidad dada de
sólido a líquido.
Capacidad calorífica: Número de calorías necesaria para elevar un grado la temperatura un
gramo de un cuerpo.
Conmonómeros: Monómeros que se enlazan previamente a la formación de un polímero.
Copolímero: Sustancia producida por la polimerización de dos o más monómeros distintos.
Divinílico: Molécula que contiene dos moléculas de vinilo.
Enlace covalente: Enlace formado por dos electrones que son compartidos entre dos átomos.
Fibra: Cada uno de los filamentos de naturaleza vegetal, animal o sintética que interviene en la
preparación de productos como textiles, plásticos, etc.
Fibra Kevlar TM: Fibra sintetizada químicamente muy rígida.
Gelación: Proceso por el cual un semisólido comienza a formar una sustancia altamente viscosa o
gel.
Hidrólisis: Proceso por el cual las sales o sustancias reaccionan con el agua.
Histéresis: En algunas sustancias al ir cambiando la velocidad de corte respecto al tiempo
presentan un retraso de la propiedad de ruptura.
Nylon: Fibra sintética en la cual la sustancia constitutiva es un polímero de cadena larga, capaz de
formar filamentos.
Plásticos: Resinas sintéticas que pueden ser moldeadas en formas estables mediante calor y
presión. Se sintetizan por el proceso de polimerización.
98
Polimerización: Proceso consistente en agrupar muchas moléculas idénticas o monómeros
obteniendo otra sustancias con propiedades fisicoquímicas diferentes.
Resistencia a tracción: Propiedad de un material antes de presentar ruptura por tensión.
Reticular: Hacer que algo tenga forma o estructura de red.
Temperatura de fusión: Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado sólido a líquido.
Temperatura de estabilidad térmica: Temperatura a la cual una sustancia no presenta cambios
físicos.
Temperatura de ignición: Temperatura necesarias para que se efectúe la verdadera combustión
de un combustible. En el punto de ignición la sustancia comienza a arder al contacto de una
superficie caliente.
Temperatura de transición vítrea: Es aquella temperatura donde muchas sustancias pueden
cambiar de forma estructural, sobre todo en plásticos que fortalecen sus enlaces.
Termofijo: Conocido también como termoestables y es un polímero que al estar expuesto a altas
temperaturas y presiones no presenta deformaciones sino estabiliza su estructura molecular, y se
destruye antes de fundir.
Termoplástico: Polímero que puede cambiar de formas varias veces al elevarse su temperatura,
se funde al llegar a su punto de fusión y es reutilizable.
Vitrificación: Convertir una sustancia en vídrio y/o apariencia vidriosa.