1' I I I V T S I O N DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

L I C . 1 DEPARTAMENTO DE QUIMICA

c

P R O Y E C T O T E R M I N A 1,

Terna :

4 Y 3 L R S N d T E J I D A S

Presenta :

1: Jorge Ran1 Viveros Ramírez

81324329

Asesores :

Q . Irma Cahero Cornejo

Pi. e n C. Kuben Arroyo Miirillo

NOVIEMBRE DE 195'9

T E L A S N O T E J I D A S .

OD J ET TVO

ObLener una resina, haciendo una polimerización en emulsión, de aplicación en te las no tejidas.

INTRODUCCION

La principal aplicación de las telas no tejidas fue en un tiempo en productos desechables, tales como bolsas de té, pañales, artículos sanitarios y paños de limpieza industriales. Sin embargo, su utilización en artículos domésticos, tales como cortinajes, forros para prendas de vestir, soporte para telas recubiertas, etc., se ha incrementado rápidamente-

Una tela no tejida es un entramado o lámina contínua de fibras de longitud corta, realizada mecánicamente. Las fibras pueden depositarse al azar 11 orientadas perfectamente en una dirección. La lámina se liga a continuacibn con un adhesivo o polímero.

Existen diversos tipos de sistemas polimerizantes, algunos de éstos son de gran iriteres, ya que ofrecen ventajas prácticas en las aplicaciones industriales, sin embargo, para su estudio éstos sistemas se dividen en sistemas homogéneos de polimeriza- ción, como son las polimerizaciones en masa, en disolución, etc. y los sistemas heterogéneos como la polimerización en fase gaseosa, en nódulos, en suspensión, en emulsión, etc.

A nosotros nos interesa trabajar la polimerización en emul- sión, debido al uso que se 3e dará a la resina. Cabe mencionar que existen diferencias entre la polimerización en emulsión y la de suspensión en dos aspectos importantes: a) el iniciador de la reacción, en las emulsiones, está situado en l a fase acuosa y , b) las partículas del poljrnero producidas s u n de un diámetro típico, del orden de 0.1 /Ani , unas diez veces menores que las más pequeñas encontradas en la polimerización en suspensión.

El tipo de reactivos de un procedimiento caracteristico para una polimerización en emulsión, además de los rnonómeros y el agua, son un jabón de ácido qraso, un agerite de transferen- cia de cadena de tipo mercaptan0 y el iniciador persulfato soluble en agua.

P R O C E D I M I E N T O

1.- Para el caso de una tela no tejida, la cuál se empleará como base para colchas, se requiere un monómero que tenga un tg alto (temperatura de transici.ón vitrea), por lo que se eligio acetato d e vinilo, ya que se obtiene una tela dura.

2 . - Para éste caso se requiere que los sólidos en la resina sean del 40%.

3 . -- S e emplearan emulsificantes de dos tipos, anjónicos y !IO icínicos, c o n los que se obtiene mayor estabilidad en l a emulsión,

4 . - La polimerizaciGn der. L a resina se llevará a cabo d e acuerdo a lo estipulado.

5 . - Se hará la caractx3rizaciÓn de la resina, por medio de las siquientes determinaciones: sólidos, pH, viscosj dad, apariencia, contenido de grumos, esta- bilidad, monómero libre y uso.

6 . - i,as pruebas de apljcasión de la resina, para comprobar los resultados, se haran sobre fibra poliester que se coloca eri una banda. Las fibras se esprean con la resjna y posterior- ment.e se curan en un horno duranhe 3 minutos a 180" C . En segui- da se observa corno quedó apticada la resina y se valorara ésta, en io que se refiere a resisteiicia al lavado y vaporizado.

U N I V E R S I D A D A U T O N O M A M E T R O P O L I T A N A

I Z T A P A L A P A

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE QUIMICA

INFORME DE PROYECTO TERMINAL

T E L A S N O T E J I D A S

Presenta:

Jorge Raúl Viveros Ramírez

Asesores:

Q. Irma Cahero Cornejo

M. en Q. Rubén Arroyo Murillo

Enero de 1991

1

OBJETIVOS: - Aprender a hacer y controlar una polimerización en emulsión.

- Obtener una resina, mediante una polimerización en emulsión, de aplicación en telas no tejidas (adhesivo).

- Caracterizar la resina.

INTRODUCCION

Una tela no tejida es un entramado0 lámina continua de fibras de

longitud corta realizada mecánicamente. Las fibras pueden depositarse

de una manera al azar u orientadas perfectamente en una dirección. La

lámina se liga a continuación con un adhesivo. La polimerización en emulsión ha tenido una amplia aceptación en el

enlazamiento de fibras. Estas fibras pueden ser todas del mismo

material como en el caso de las no tejidas o , de diferentes materiales

como en el caso de composiciones tejidas y no tejidas como utilizadas

por ejemplo en los copetes de las alfombras . 1

Casi todas la fibras pueden utilizarse para la producción de telas

no tejidas, las más extensamente empleadas son el algodón, el rayón y el nylon. Entre los adhesivos se incluyen el poliacetato de vinilo, los

latex de caucho, dispersiones de otros pollmeroc, resinas amino y

derivados de celulosa solubles en agua. 2

La polimerización en emulsión fue empleada por primera vez a gran

escala en los Estados Unidos para la producción sintética del latex de

estireno-butadieno durante los ~ O ' S , cuando los suministros de cuacho

natural fueron cortados debido a la Segunda Guerra Mundial. Actualmente

este proceso es predominante para la polimerización comercial de acetato

2

de vinilo, cloropreno, varios acrilatos y copolimerizaciones de

butadieno con estireno y acrilonitrilo. Aunque no es un proceso

predominante pero sí bastante utilizado para la polimerización del

metilmetacrilato, cloruro de vinilo y estireno. 3

El producto final de la polimerización en emulsión recibe el nombre de latex. Este proceso tiene varias ventajas: -El estado fisico de la emulsión (coloidal) hace que el proceso sea

fácil de controlar,

. -Los problemas térmicos y de viscosidad son poco significativos

comparados con los de una polimerización en masa,

-Se pueden obtener productos de alto peso molecular aún a grandes .

velocidades de reacción.

Aunque, como todo, también este proceso presenta desventajas:

-Debido a los agentes tensoactivos que son solubles en agua, hacen que

el producto sea sensible a esta en cierto grado y las propiedades

díeléctricas del latex son

El esquema de una polimerización en emulsión está basado

originalmente en el esquema cualitativo de Rarkins y el tratamiento

cuantitativo de Smith y Ewart, con recientes contribuciones de otros . En la Tabla 1 se muestra una formulación típica de una polimerización en

emulsión. Se observa de esta tabla, que los principales componentes son

el, o los, monómeros, el dispersante, el emulsificante y un iniciador

soluble en agua.

3

El dispersante es un líquido, usualmente agua, en el que todos los componentes son dispersados en un estado de emulsión por medio del

emulsificante. La relación de agua-monómero(s), está generalmente en el

rango de 70/30 a 40160 (por pesoI3.

Los emulsificantes (también referidos como surfactantes o jabones), son sustancias solubles en agua, con partes hidrófilas e hidrófobas en

su molécula y que en solución acuosa forman micelas. Al mismo tiempo, reducen fuertemnte.la tensión interfacial del sistema agua-monómero,

3

Componente

Est i reno But ad i eno Agua Emulsificante

n-dodecilmercaptano

Hidroperóxido de cumeno

FeSO o

Na4P207 10HzO Fructosa

Partes por peso

25. O

75. O 180. O

5. o o. 5

O. 17

O. 017

1.5 o. 5

Tabla 1. Composlclon d e una formula CR-C para l a polimerlzacion en

emulsion del estlreno-butadleno (3)

solubilizando moléculas de este Último, con lo que finalmente se forman

partículas de polimerizado con una envoltura molecular de emulgente, de

un diámetro aproximado de 0.01 a 0.2 p. Los emulsificantes junto con las fuerzas de coulomb (al tratarse de emulgentes iónicos), así como el movimiento Browniano, evitan la sedimentación de las partículas de

polimerizado por la fuerza gravitacional, ya que estas interacciones,

estabilizan la dispersión plástica obtenida.

Otros compuestos también pueden estar presentes en el sistema, por

ejemplo un mercaptan0 es utilizado como agente de transferencia de

cadena para controlar el peso molecular del polímero. El iniciador e s

el sistema redox hidroperóxido-ion ferroso y la función de la fructosa es la regeneración del ion ferroso por la reducción del ion férrico producido al inicio de la reacción. El pirofosfato de sodio actúa para solubilizar las sales de hierro en el fuerte medio alcalino de la

385 reacción .

4

También se pueden encontrar sustancias llamadas coloides

protectores (alcohol polivinílico, por ejemplo), las cuales también

pueden formar dispersiones estables en condiciones favorables, si se

aplican en concentraciones elevadas, como de aproximadamente un 10% en peso referido al monómero. En contraposición con los emulgentes, los

coloides protectores no reducen la tensión interfacial monómero-fase

externa, no forman micelas, ni solubilizan monómero; lo que se logra son

dispersiones plásticas estables, sobre todo cuando el monómero presenta

una cierta solubilidad en agua, como es el caso del acetato de vinilo.

Estas dispersiones se diferencian de las preparadas con emulgentes por

su mayor diámetro de partícula de aproximadamente 0.5 hasta 3.0 pm, '

aunque en ocasiones llegan a tener 10 pm o más, así como por su

viscosidad que llega a ser bastante alta (consistencia cremosa) que

oscila entre 20 centipoises hasta 500 poises, se caracterizan por una

estabilidad especial frente a los efectos mecánicos y otras influencias

como por ejemplo, estabilidad al almacenamiento, a las heladas, a l o s

electrolitos, etc. 5

En el presente trabajo nos interesa obtener un adhesivo que le

confiera cierta dureza al tejido, por lo que se eligió un monómero con

un Tg alto en su polimero, esto es, la temperatura de transición vítrea

(Tg), que se establece al formarse un polímero que pasa de un estado líquido muy viscoso en el cual se encuentra al de un sólido análogo o un

vidrio, debe de ser alta6.

Debido a esto, se eligió como monómero el acetato de vinilo, ya que

para la calidad de la unión por adherencia es importante la resistencia

al desgarre y al alargamiento de desgarre del ligante, valores que

aumentan con el peso molecular. En el caso del poliacetato de vinilo

tenemos que, a temeperatura ambiente, se obtene un material duro con una

resistencia al desgarre de 300 a 400 Kp/cm2 y un alargamiento de desgarre del 6 al 10 % y valores inferiores a 100 Kp/cm2 y del 100 al

1000 % en el pla~tificado~. las

cuales el acetato de vinilo resulta de especial importancia en la

Además existen dos propiedades por

5

polimerización en emulsión: primeramente por su solubilidad en agua

relativamente elevada (aproximadamente 2.5 % a 25' C) y en segundo lugar

por ser capaz de disolver su propio polímero . 5

Los métodos para la evaluación de un polímero en emulsión son usados para estudiar la eficiencia y reproducibilidad del proceso

preparativo en el laboratorio y la planta, para indicar los efectos de

adición de aditivos químicos, del manejo y almacenamiento del producto y

para determinar la conveniencia en la aplicación. Entre los test

aplicados rutinarimante para estudios de monitoreo en el laboratorio o

planta de producción está la determinación de sólidos, pH, viscosidad, '

estabilidad mecánica y monómero libre , que son los más usuales, ya que,

en el caso de los sólidos sirven para evaluar el grado de conversión de

monómero y el rendimiento del polímero, además se utiliza para proveer

una base para el trabajo de formulación; la determinación de pH es

necesaria ya que algunos emulsificantes tienen un rango de pH dentro del

cual mantienen estable el latex y además el pH, en algunos casos,

influye en la viscosidad del producto . La viscosidad permi te

determinar el peso molecular. Desafortunadamente las teorías

hidrodinámicas relativas a soluciones macromoletulares son aún

incapaces de relacionar directamente la viscosidad y el peso molecular,

ellas proporcionan únicamente una ley de variación del tipo;

7

7

O viscosidad = k (concentración) (P.M. 1

en la que los coeficientes k y Q dependen del sistema

polímero-disolvente estudiado, así como de la temperatura a la cual se

efectúa la medida, por lo que se haría necesario una curva de

calibración . Sin embargo, el dato de viscosidad, junto con la

apariencia, nos. da una idea del tamaño de la partícula, aunque esta

determinación se puede hacer por medio de una cromatografía de líquidos

(permeación en gel). La determinación de estabilidad mecánica se hace

6

6

para asegurar que en un lapso de 6 meses la emulsión se mantendrá

estable. El contenido de grumos se debe verificar ya que en muchas

ocasiones el latex es aplicado por aspersión y pueden tapar los ductos

de salida.

7

PROCEDIMIENTO

1) La resina que se desea obtener se empleará como base para

colchas, por l o cual se requiere un polimero con un Tg alto, para que le de una consistencia dura a la tela. Se utiliza acetato de vinilo como

monómero.

2) Se utilizan emulsificantes de dos tipos: aniónicos y no

iónicos, con l o cual se obtiene mayor estabilidad en la emulsión.

3 ) La polimerización se realiza de acuerdo a lo estipulado. El aparato consta de un reactor conectado a dos refrigerantes, un motor con

propela para la agitación y tres embudos de adición.

4) Se lleva a cabo la caracterización del latex, por medio de los

siguientes procedimientos:

4 A. Contenido de sólidos.

Se pesa una pequeña cantidad de muestra en un recipiente ,

previamente tarado y se mete en una estufa a una temperatura de 120° C.

Una vez evaporado el líquido , se vuelve a pesar el recipiente para

determinar la cantidad de sólidos mediante la siguiente fórmula:

% de sólidos = ( A / B 1 * 100

donde A es el peso de la muestra antes de evaporar y B es el peso de la

muestra después de evaporar.

8

4 B pH.

Un orden de magnitud se puede establecer con papel pH. Para un

trabajo más preciso se utiliza un pH-metro convencional con un electrodo de vidrio y calomel, estandarizado con una solución amortiguadora.

4 C Vlscosidad

.. Se determina con un viscosímetro Brookf ield, utilizando el husillo o spindle adecuado.

4 D Ectbllidad mecánica

Se pesan aproximadamente 100 gr de muestra, se calienta la resina a

4OoC y se pone a agitar a alta velocidad (en un aparato para esquimos, por ejemplo) de 10 a 15 minutos. Si aparece precipitado (grumos),

implica una mala estabilidad de la emulsión.

'

4 F Honómero l ibre .

Se hace la determinación de monómero residual para acetato de

vinilo de la siguiente manera: - - Se adicionan 20 ml de cloroformo y se agita.

- Se adicionan de 5 a 10 ml de una solución saturada de bromo, con pipeta volumetrica y se agita durante 5 min. y se deja reposar otros 5

min.

- Se adicionan 7.5 ml de K I al 40% y se agita 5 min . - Se titula con tiosulfato de sodio O . l N , usando almidón como

indicador.

- Se hace un testigo análogo a la muestra.

Se pesan de 2 a 3 gr de muestra y se disuelven en agua.

% de monómero libre = [(VT - Vn) * N * 4.31 / Wn.

donde VT = volumen del testigo Vn = volumen de la muestra

N = normalidad del tiosulfato

Wn = peso de la muestra

9

4 F Película en cristal

Mediante este método se determina la apariencia y el contenido de grumos. Sobre un vidrio se deja escurrir un poco de latex y se deja

secar a temperatura ambiente, para observar la apariencia de la resina y

., determinar si tiene grumos.

5) Las pruebas de aplicación de la resina, se harán para comprobar

resultados, se hacen sobre fibra poliester que se coloca en una banda, estas se esprean con la resina y posteriormentese curan en un horno durante 3 minutos a 180OC. En seguida se observa cómo quedó aplicada la

resina y se valorara esta, en lo que se refiere a resistencia al lavado

y vaporizado.

10

CONCLUSIONES

Para un proceso de polimerización en emulsión, se observa que se tienen que manejar muchas variables para obtener un producto, ya que estas son muy sensibles a cualquier cambio, por ejemplo, al variar la cantidad de catalizador se varia también la viscosidad, ya que con esto

se varía el tamaño de partícula que a su vez también se ve afectado por

la cantidad de emulsificante presente , del cual depende la estabilidad de la resina, sin embargo la estbilidad se puede ver afectada por un

aumento de temperatura corriendo el riesgo de que el producto se gele.

Hacer una nueva formulación requiere de tiempo y experiencia, ya

que para obtener un producto con ciertas características , son pocas las aproximaciones con las que se cuentan (por ejemplo el Tg), y una buena

parte del trabajo se realiza al tanteo, para obtener la formulación

adecuada.

11

B I B L I O G R A F I A

1) ‘EMULSION POLIMERIZATION ’ Piirma, Irja. Academic Press.

San Fransisco U.S.A. 1982.

2 ) ‘CIENCIA DE LOS POLIMEROS ’ Bi 1 lmeyer, Fred U. Jr.

Za edicion.

Barcelona España, 1978. * Editorial Reverté S. A.

3) ‘PRINCIPLES OF POLIMERIZATION ’ Odian, George G.

2a edición.

New York U. S. A. , 1981. John Wiley & Sons

4) ‘LOS POLIMEROS síntesis y caracterización *

Uribe V., Miguel y Mehrenberger, Pierre Y. la edición. Editorial Limusa S.A.

México D.F. 1980.

5) ‘MOWILITH ’ 5“ edición.

Química Horchest.

6 ) ‘INTRODUCCION A LA QUIMICA MACROMOLECULAR ’ Champetier, G. y Monnerier, L.

la edición. Ecpasa-Calpe S. A. Madrid España, 1973.

7) ‘EMULSION POLIMERIZATION OF ACRYLIC MONOMERS ’ Rohm and Hass

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