EVALUACIN DEL CARBOXIMETIL CELULOSA COMO AGENTE …

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EVALUACIÓN DEL CARBOXIMETIL CELULOSA COMO AGENTE VISCOSANTE Y ESTABILIZADOR DE ESPUMA EN FORMULACIONES

DETERGENTES

ANDREA NATHALIA FULA GUZMÁN

NATHALIA PRIETO MÁRQUEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

2008

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EVALUACIÓN DEL CARBOXIMETIL CELULOSA COMO AGENTE VISCOSANTE Y ESTABILIZADOR DE ESPUMA EN FORMULACIONES

DETERGENTES

ANDREA NATHALIA FULA GUZMÁN

NATHALIA PRIETO MÁRQUEZ

Proyecto de Grado para optar

El titulo de Ingenieras Químicas

Asesor

JOAQUÍN ENRIQUE TIRANO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

2008

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“Dos son mejor que uno

porque si uno cayera

el otro lo levantará”

Gracias Hermi por la confianza

Nata

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por cada una de las oportunidades que nos ha brindado, por ayudarnos

en los momentos difíciles y por los logros tanto personales como académicos

que nos ha permitido alcanzar.

A nuestros padres y hermanos por su gran amor y contribución a nuestra

formación personal además de darnos un apoyo incondicional en cada decisión

de nuestras vidas.

A Joaquín Tirano nuestro asesor por su paciencia y por el interés que logro

despertar en nosotras con este trabajo investigativo además de un

reconocimiento por todo su conocimiento aportado.

A nuestros amigos por acompañarnos en esta etapa no solo como compañeros

académicos sino por el apoyo y la gran amistad ofrecida.

A cada una de las personas que nos dificulto este proceso, porque nos permitió

entender que de las dificultades se aprende y siempre hay un lado positivo en

toda situación, además que la forma en que se enfrentan los conflictos nos

fortalecen.

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TABLA DE CONTENIDOS

Lista de figuras…………………………………..................................................10

Lista de gráficas..………………………………..................................................11

Lista de tablas…………………………………....................................................14

1. Introducción…………………………………...................................................18

2. Objetivos…………………………………………………………………..……….21

2.1 Objetivo general…………..………………………….………..…...………….21

2.2 Objetivos específicos..……………………………….…………………..……21

3. Estado del arte...……………………………………..... ………………………..22

3.1 Viscosantes…………………...………….……………..……………………...22

3.1.1 Definición y aplicaciones...…………....……………..…………………..…22

3.1.2 Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)…........……..………………………22

3.1.3 Hidroxietilcelulosa (Cellosize)..……………...……..………………………23

3.1.4 Otros viscosantes………….…..……………………..…………..…………25

3.1.5 Caracterización…..………….………………………..……………………..25

3.1.5.1 Granulometría.....………….………………………..……………………..25

3.1.5.2 Viscosidad...……………….………………………..……………………..26

3.1.5.3 pH…...……..…………………………………….…..……………………..27

3.2 Detergentes……..………....………...…………….…..……………………...27

3.2.1 Función y propiedades…....…………………….…..……………………...28

3.2.2 Clasificación…..………………………………….…..……………………...29

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3.2.2.1 Presentación…...………………………………………………………….29

3.2.2.2 Reacción……...…………….……………………...……………………...29

3.2.2.3 Usos…...………………… ………………………...……………………...30

3.3 Detergentes líquidos…….…..………………………...……………………...31

3.3.1 Componentes……..….……………………………....……………………...31

3.3.1.1 Surfactantes……..………………………………....……………………...31

3.3.1.1.1 Surfactantes aniónicos….……………………....……………………...32

3.3.1.1.2 Surfactantes catiónicos..…..…………………....……………………...32

3.3.1.1.3 Surfactantes no iónicos………………………....……………………...33

3.3.1.1.4 Surfactantes anfóteros….……………………....……………………...33

3.3.1.2 Potenciadores…………......……………………….……………………...33

3.3.1.3 Secuestradores…………………………………….……………………...34

3.3.1.4 Solventes………..……....………………………....……………………...34

3.3.1.5 Ingredientes minoritarios..…..…………………....……………………...34

3.3.2.Formulación de un detergente de uso industrial……..…..……………...34

3.3.3 Incorporación de viscosantes en detergentes…….……………………..35

3.3.3.1 Influencia del pH del detergente……………….......……..…...………..35

3.3.3.2 Influencia de la velocidad de agitación….…...………….…...…………36

3.3.3.3 Influencia de la concentración del viscosante…..……...…...…………36

3.3.3.4 Otros factores influyentes…….……..………………………...…………38

3.3.4 Caracterización de detergentes…...…………….………………………...39

3.3.4.1 Determinación de viscosidad…….…………….………………………...40

3.3.4.2 Determinación de espumosidad.…………………….…………………..40

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3.3.4.3 Determinación de estabilidad de viscosante en detergentes……..….40

4. Materiales y métodos...................................................................................41

4.1 Materiales.................................................................................................41

4.2 Metodología…..........................................................................................42

4.2.1 Caracterización de los viscosantes.......................................................43

4.2.1.1 Granulometría.....................................................................................43

4.2.1.2 Viscosidad......................................................................................... 44

4.2.1.3 pH ......................................................................................................44

4.2.1.4 Dilución de los viscosantes en agua..................................................45

4.2.2 Elaboración de la solución detergente base.........................................46

4.2.2.1 Viscosidad y pH.................................................................................48

4.2.2.2 Espumosidad.....................................................................................48

4.2.3 Incorporación de viscosantes al detergente base.................................48

4.2.4 Caracterización del detergente líquido obtenido...................................51

4.2.4.1 Espumosidad…………………............................................................51

4.2.4.2 Viscosidad..........................................................................................52

4.2.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente.......................................53

4.2.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial..54

5. Resultados obtenidos..................................................................................55

5.1 Caracterización de los viscosantes..........................................................55

5.1.1 Granulometría........................................................................................55

5.1.2 Viscosidad..............................................................................................58

5.1.3 pH...........................................................................................................58

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5.2 Elaboración de la solución detergente base............................................59

5.2.1 Viscosidad............................................................................................59

5.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente....60

5.2.3 Espumosidad........................................................................................61

5.3 Incorporación de viscosantes al detergente base...................................62

5.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base......................62

5.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base...............62

5.4 Caracterización del detergente líquido obtenido.....................................62

5.4.1 Espumosidad...…..……………............................................................ 62

5.4.1.1 CMC…….....………………….............................................................63

5.4.1.2 Cellosize…..………………….............................................................68

5.4.2 Viscosidad............................................................................................72

5.4.2.1 CMC….…......………....……..............................................................72

5.4.2.2 Cellosize.…......……………................................................................77

5.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente.........................................81

5.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial....83

6. Análisis de resultados..................................................................................84

6.1 Caracterización de los viscosantes.........................................................84

6.1.1 Granulometría.......................................................................................84

6.1.2 Viscosidad.............................................................................................85

6.1.3 pH..........................................................................................................86

6.2 Elaboración de la solución detergente base............................................87

6.2.1 Viscosidad.............................................................................................87

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6.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente.....87

6.2.3 Espumosidad.........................................................................................87

6.3 Incorporación de viscosantes al detergente base.....................................88

6.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base.......................88

6.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base................89

6.4 Caracterización del detergente líquido obtenido......................................89

6.4.1 Espumosidad...…………………............................................................89

6.4.1.1 CMC………………..……………………………………………………....90

6.4.1.1.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante para CMC…......90

6.4.1.2 Cellosize….………..……………………………………………………....94

6.4.1.2.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante para Cellosize...95

6.4.2 Viscosidad.............................................................................................99

6.4.2.1 CMC………………..……………………………………………………....99

6.4.2.1.1 Análisis ANOVA del efecto de viscosidad para CMC………….....100

6.4.2.2 Cellosize….………..……………………………………………………..104

6.4.2.2.1 Análisis ANOVA del efecto de viscosidad para Cellosize………..105

6.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente........................................109

6.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial...110

7. Conclusiones..............................................................................................112

8. Recomendaciones......................................................................................115

Bibliografia......................................................................................................116

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Lista de figuras

Figura1.Estructura química de Carboximetil celulosa (tomado de: www.zenitech.com)…………………………………………………………………...23

Figura 2. Estructura química de Hidroxietil celulosa (Tomado de http://pslc.ws/spanish/cell.htm)…….............................................................……24

Figura 3. Estructura de un detergente (tomado de www.ciencianet.com)…...…28

Figura 4.Efecto del pH en la viscosidad de CMC (tomado de: www.herc.com).36

Figura 5. Efecto de la concentración de Cellosize en solución acuosa en la viscosidad (tomado de: www.dow.com).............................................................37

Figura 6. Efecto de la concentración de CMC en solución acuosa en la viscosidad (tomado de: www.herc.com).............................................................37

Figura 7. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de Cellosize (tomado de: www.dow.com)…...................................…..................…38

Figura 8. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de CMC (tomado de: www.herc.com)......................................................................39

Figura 9. Diseño experimental del proyecto…..………………………….……..…42

Figura 10. Viscosantes diluidos a diferentes concentraciones………………..…45

Figura 11. Procedimiento para la elaboración de detergente base……………..47

Figura 12. Montaje para la incorporación de viscosantes..………………………50

Figura 13. Montaje poder espumante………………………………………………51

Figura 14. Montaje viscosidad………………………………………………………52

Figura 15. Protocolo de incorporación de CMC propuesto en investigación…113

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http://pslc.ws/spanish/cell.htm

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Lista de gráficas

Gráfica 1 Análisis diferencial de partículas de CMC. ………..…….…………..…56

Gráfica 2 Análisis acumulativo de partículas de CMC………….….…………..…56

Gráfica 3 Análisis diferencial de partículas de Cellosize. …..…….…………..…57

Gráfica 4 Análisis acumulativo de partículas de Cellosize………...…………….57

Gráfica 5 Viscosidades de CMC y Cellosize al 1%...........…..…….…………….58

Gráfica 6 Viscosidad del detergente base. ………….……………………..…..…59

Gráfica 7 Efecto de la cantidad de soda cáustica empleada en la formulación respecto al pH del detergente base ……………………………..….…………..…60

Gráfica 8. Análisis diferencial de partículas de los viscosantes……. …………84

Gráfica 9. Análisis acumulativo de partículas de los viscosantes………….. …85

Gráfica 10. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para CMC……………………………………………………………………90

Gráfica 11. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de CMC …………………………………………………………....…91

Gráfica 12. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de CMC…………………………………………………………………. 91

Gráfica 13. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de CMC………………………………………………………………..92

Gráfica 14. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de CMC………………………………………………………………..92

Gráfica 15. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de CMC………………………………………………………………..93

Gráfica 16. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para Cellosize…….……………………………………………………….. 95

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Gráfica 17. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 96

Gráfica 18. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de Cellosize……………………………………………………………..96

Gráfica 19. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de Cellosize……………………………………………………..…….97

Gráfica 20. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 97

Gráfica 21. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 98

Gráfica 22. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para CMC……………………………………………………………………….100

Gráfica 23. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….101

Gráfica 24. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….101

Gráfica 25. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….102

Gráfica 26. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de CMC……………………………………………………………………………….102

Gráfica 27. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….103

Gráfica 28. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para Cellosize ………………………………………………………………….105

Gráfica 29. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….105

Gráfica 30. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….106

Gráfica 31. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….106

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Gráfica 32. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de Cellosize………………………………………………………………………….107

Gráfica 33. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize……………………………………………………………..107

Gráfica 34. Resultados de estabilidad en la viscosidad del detergente............109

Gráfica 35. Resultados de estabilidad en poder espumante del detergente...109

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Lista de tablas

Tabla 1. Algunas propiedades de CMC (Tomado de www.marquimicos.com)..23

Tabla 2. Algunas propiedades de Cellosize (Tomado de www.marquimicos.com)......................................................................................24

Tabla 3. Escala granulométrica (tomado de: www.ciencianet.com).....…………25

Tabla 4. Formulación detergente líquido de uso industrial…………….…………34

Tabla 5. Lista de reactivos empleados en la experimentación………………..…41

Tabla 6. Equipos empleados en la experimentación……………………………..41

Tabla 7. Composición del detergente líquido para 1L…………………………….46

Tabla 8. Diseño experimental para incorporación de viscosantes………………48

Tabla 9. Formulación del detergente comercial (Tomado de detergente Ajax floral multiusos)……………………………………………………………………….54

Tabla 10. Resultados obtenidos de granulometría de CMC….. ……….……..…55

Tabla 11. Resultados obtenidos de granulometría de Cellosize……………….. 55

Tabla 12. Resultados de viscosidad del detergente base……………………… 59

Tabla 13. Resultados de influencia de soda cáustica en el pH………………….61

Tabla 14 Resultados de espumosidad del detergente base…..……….……..…61

Tabla 15. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................63



Tabla 18. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%......................................................................65

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http://www.tomado/

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Tabla 24. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 68

Tabla 25. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................68








Tabla 33. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................72

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Tabla 34. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%. ……………………………………………………………………..73

Tabla 35. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%................................................................................................. 73


Tabla 37. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%..................................................................................................74





Tabla 42. Viscosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................77


Tabla 44. Viscosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 78



Tabla 47. Viscosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.................................................................................... 79

Tabla 48. Viscosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 80

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Tabla 49. Viscosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 80

Tabla 50. Viscosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%. …………………………………………………81

Tabla 51. Muestras escogidas para examinar la estabilidad del viscosante..…81

Tabla 52. Muestras sometidas a temperatura ambiente (alrededor de 20°C)…82

Tabla 53. Muestras sometidas a 4°C …………..……………………………….…82

Tabla 54. Muestras sometidas a 40°C…………………..…….………….……..…82

Tabla 55. Propiedades detergente comercial Ajax floral multiusos...….……..…83

Tabla 56. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC………………………………………………………………………..93

Tabla 57. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize……………………………………………………………………98

Tabla 58. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC…………………………………………………………………………….103

Tabla 59. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize………………………………………………………………………..108

Tabla 60. Cantidad de viscosante en la formulación para un valor de viscosidad requerido……………………………………………………………………………..113

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1. Introducción

Dentro de las presentaciones comerciales de los detergentes, los polvos

constituyen la forma más tradicional, estos aún siguen siendo los más

populares en lo que respecta al lavado de ropa y lavadora. Se dosifican a

través de la cubeta del jabón y empiezan a disolverse en el momento en el que

penetran en la máquina. De esta forma, su potencia limpiadora actúa tan pronto

como se depositan en el tambor. No obstante, con el pasar de los años nació la

necesidad de un detergente más fácil de dosificar, con dispersión más rápida y

útil para el pre-tratamiento de las manchas, el lavado a mano y en los ciclos de

"lavado rápido". Fue así como los detergentes líquidos (para lavado de ropa y

en productos de aseo en general) se introdujeron al mercado a finales de 1940

en Estados Unidos y desde entonces han ganado popularidad en la industria

detergente la cual se ha dedicado a desarrollarlos (Broze 1999); un ejemplo de

este desarrollo es el detergente líquido Ariel que actualmente utiliza una "Smart

Ball" que se coloca encima de la colada en el interior del tambor y permite

mayor dispersión (Procter & Gamble 2005).

Con objetivos comerciales, en la formulación de los detergentes líquidos se

utilizan generalmente agentes viscosantes como lo son soluciones de cloruro

de sodio o Hidroxietilcelulosa, entre otros. Sin embargo, se presentan algunos

problemas en el uso de estos compuestos, como lo son su alto costo y en

algunos casos el inconveniente de alcanzar la viscosidad final deseada. Por lo

anterior, se requiere encontrar un viscosante sustituto de menor precio que sea

capaz de cumplir las especificaciones apropiadas para la formulación de un

detergente líquido, de tal forma que no sea compleja su incorporación en la

solución detergente y que no altere las propiedades finales del mismo.

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Se propone como alternativa la Carboximetil Celulosa (CMC) por ser un

compuesto biodegradable, renovable y económico además por las propiedades

físicas y químicas que presenta.

En consecuencia a la complejidad de la adición de CMC al detergente que

básicamente se debe a que su rango de condiciones de trabajo es mas

reducido comparado con viscosantes comerciales como el CELLOSIZE, éste no

es muy comúnmente usado. No obstante, su precio es considerablemente más

bajo que el del CELLOSIZE (mientras 1 Kg de CMC cuesta 17,000 pesos, el de

CELLOSIZE cuesta 23,000). El propósito del proyecto es hallar las condiciones

básicas de adición para hacer más sencilla la tarea de incorporación y de esta

forma poder implementar la CMC en los detergentes a nivel industrial

aprovechando la ventaja de su bajo costo mediante la experimentación.

En el proceso de adición del viscosante al detergente es importante tener en

cuenta ciertas variables relevantes como lo son el pH, la concentración del

viscosante, la temperatura, la agitación y la velocidad de adición del viscosante.

En la investigación se pretende analizar las variables que consideramos de

mayor importancia las cuales son el pH, la velocidad de agitación y la

concentración de viscosante, debido a que estas tienen mayor influencia en las

propiedades y la calidad del detergente a obtener. La exclusión de la

temperatura como variable a evaluar se debe a que se desea que los resultados

de la investigación se apliquen a un campo industrial, por lo que no es viable

destinar costos de tipo energético. Con respecto a la variable de velocidad de

adición del viscosante al detergente, se puede ignorar ya que la cantidad de

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viscosante que se adiciona es escasa debido a la concentración de este en el

detergente.

A partir de los resultados experimentales encontrados, se pretende realizar un

protocolo de incorporación para la Carboximetil celulosa que facilite el

procedimiento de implementación de manera exitosa con el fin de obtener un

detergente de propiedades similares a uno comercial.

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2. Objetivos

Objetivo general

Establecer un protocolo de incorporación de Carboximetil Celulosa

Sódica (CMC) a soluciones detergentes que permita obtener el

comportamiento de la viscosidad, estabilidad y el poder espumante

respecto a Hidroxietilcelulosa (CELLOSIZE).

Objetivos específicos

Determinar los efectos de la concentración de viscosante, pH de la

solución detergente y velocidad de agitación en la viscosidad del

detergente final.

Determinar la estabilidad que presentan los dos tipos de viscosantes

empleados en la solución detergente.

Establecer un procedimiento reproducible para incorporar correctamente

la Carboximetil Celulosa a la solución detergente.

Comparar algunas de las propiedades del detergente obtenido respecto

a un detergente comercial de uso industrial.

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3. Estado del arte

3.1 Viscosantes

3.1.1 Definición y aplicaciones

Un viscosante es una sustancia que incrementa la concentración de los sólidos

en una sustancia después que se ha presentado sedimentación por gravedad.

Estas partículas están dispersas de manera uniforme para formar una

estructura más viscosa que fluirá con menor velocidad. Son conocidos como

modificadores de reología y están presentes en la actualidad en una gran

cantidad de productos. Son usados en procesos industriales de alimentos,

farmacéuticos, cosméticos y de aseo personal, también en adhesivos, textiles y

de pinturas entre otras industrias.

Ellos no solo alteran la viscosidad de un producto, también proveen una

funcionalidad especifica al mismo. En el caso de los detergentes, la suspensión

de ingredientes solubles para incrementar la estabilidad.

3.1.2 Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)

La Carboximetil Celulosa es un compuesto biodegradable y económico, como

su nombre lo indica es un derivado de la celulosa, lo que permite que sea

completamente soluble en agua fría y caliente, pero insoluble en la mayoría de

disolventes orgánicos (Smulders 2002)

Se utiliza primordialmente como agente espesante aunque también tiene otras

funciones secundarias como producto de relleno, fibra dietética, agente anti

grumoso y emulsificante, agente estabilizante y gelificante, entre otros. Al ser

útil en formulaciones detergentes como viscosante, es compatible con los

tensoactivos aniónoicos y catiónicos; sin embargo, una recomendación para su

uso es disolverla en agua (1% peso) primero antes de agregarla al detergente

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(Watson 2006). A continuación en la tabla 1 se enlistan algunas propiedades

relevantes de la CMC 7H tomadas de la hoja técnica obtenida en Mar químicos

S.A.

Tabla 1. Algunas propiedades de CMC (tomado de: www.marquimicos.com)

Propiedad Valor/Descripción

pH (1%, 25ºC) 6 - 8

densidad especifica 0. 6-0.9

color blanco

Olor ninguno

solubilidad en agua 100%

La figura1 muestra la estructura química de la Carboximetil Celulosa.

Figura 1. Estructura química de Carboximetil Celulosa (Tomado de: www.zenitech.com)

La CMC posee carácter hidrofílico, tiene buenas propiedades para formar

películas, alta viscosidad y presenta comportamiento adhesivo, entro otras

características.

3.1.3 Hidroxietilcelulosa (Cellosize)

Actualmente los detergentes emplean en sus formulaciones, viscosantes como

Hidroxietilcelulosa conocido comercialmente como Cellosize por ser un derivado

de la celulosa, presentándose el problema que es un compuesto relativamente

más costoso y requiere mayor cantidad para lograr alcanzar la viscosidad

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deseada para un detergente. En la tabla 2 se enlistan algunas propiedades del

Cellosize 52000H, tomadas de la hoja técnica de Mar químicos S.A.

Tabla 2. Algunas propiedades de Cellosize (Tomado de www.marquimicos.com)

Propiedad Valor/Descripción

pH (1%, 25°C) 5 - 7

densidad especifica 0. 4-0.6

color blanco

Olor leve

solubilidad en agua 98%

La estructura química de la hidroxietilcelulosa difiere de la celulosa en la

sustitución de algunos o todos los grupos hidroxilos por grupos hidroxietil éter

como se muestra en la figura 2.

Figura2. Estructura química de la Hidroxietil Celulosa (tomado de: www.dow.com)

En la industria de aseo se utiliza para espesar champú haciéndolo menos

espumoso y formando coloides alrededor de las partículas orgánicas, de esta

forma la cadena polimérica envuelve el mugre y al ser la cadena soluble en

agua, se lleva consigo el material orgánico que es hidrofóbico.

24

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3.1.4 Otros viscosantes

Los viscosantes provienen de ambas fuentes naturales y sintéticas. Los

naturales son compuestos de polisacáridos o aminoácidos, algunos son

almidones, celulosa, alginatos, agar, colágeno, yema de huevo, goma de guar

entro otros. Los sintéticos son polímeros o cadenas de derivados de celulosa

como la CMC, Cellosize y sílica.

3.1.5 Caracterización

La caracterización de los viscosantes a incorporar (CMC y CELLOSIZE) para

esta investigación, consiste en la evaluación de propiedades físico-químicas de

granulometría, viscosidad y pH.

3.1.5.1 Granulometría

Consiste en la medición de los granos de una formación sedimentaria y el

cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños

previstos por una escala granulométrica ilustrada en la tabla 2.

El método de determinación granulométrico más sencillo es obtener las

partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de

coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente

columna de tamices (T. William 1997).

Tabla 3. Escala granulométrica (tomado de: www.ciencianet.com)

Escala granulométrica

Partícula Tamaño

Arcillas < 0,002 mm

Limos 0,002-0,06 mm

Arenas 0,06-2 mm

25

http://es.wikipedia.org/wiki/Grano_%28mineral%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Malla

http://es.wikipedia.org/wiki/Colador

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Columna_de_tamices&action=edit&redlink=1

http://www.tomado/

http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Limo

http://es.wikipedia.org/wiki/Arena

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Gravas 2 mm-6 cm

Cantos rodados 6-25 cm

Bloques >25 cm

3.1.5.2 Viscosidad

La viscosidad aparente se define como el cociente entre el esfuerzo cortante y

la velocidad de deformación. Todos los fluidos presentan viscosidad, es decir

que realmente ninguno presenta comportamiento de fluido ideal en el cual la

viscosidad es nula, sin embargo para los que presentan una muy baja

viscosidad se pueden modelar como fluidos ideales. La viscosidad debe

medirse cuando un fluido esta en movimiento, de lo contrario no hay fuerzas

tangenciales que ocasionen perturbación a su estabilidad.

Una de las características relevantes de esta propiedad es que depende de las

condiciones de operación tales como gradiente de velocidad de deformación,

temperatura y presión, entre otros) más no se ve afectada por las

características de los fluidos (Blasco 2006).

La temperatura afecta en gran medida la viscosidad de un fluido ya que para

los líquidos las fuerzas de cohesión (debidas a su estructura interna) son

superiores a las de los gases pero al recibir un incremento térmico, los enlaces

de su estructura tienden a romperse y su capacidad de fluir aumenta por lo

tanto la viscosidad disminuye con un aumento de la temperatura. La viscosidad

de la mayoría de los líquidos no se ve afectada por cambios de presión

moderados, sin embargo un gran incremento de presión si ocasiona cambios

considerables en la viscosidad. (Sachdev 2006).

Dentro del rango de viscosidades en que trabajan los viscosantes en cuestión,

se encuentra en la literatura que para CMC (1%) entre 1500 hasta 2000 cPs a

26

http://es.wikipedia.org/wiki/Grava

http://es.wikipedia.org/wiki/Canto_rodado

http://es.wikipedia.org/wiki/Bloque_%28roca%29

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una velocidad de 30 rpm y en el caso del Cellosize (1%), la hoja técnica reporta

un valor entre 1000 hasta 1400 cPs a 30 rpm ambos tomados a una

temperatura de 25°C.

3.1.5.3 pH

El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro,

también conocido como pH-metro, un instrumento que mide la diferencia de

potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de

plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ión hidrógeno.

La mayoría de los detergentes líquidos tienen un pH de carácter básico debido

a la presencia de bases en la formulación como el hidróxido de sodio, sin

embargo, este pH puede variar según el uso comercial del detergente (Showel

2006).

Para los viscosantes el pH se mantiene dentro de un rango neutro por lo que no

se esperan cambios en el pH del detergente base una vez se añada el

viscosante. En el caso específico de los viscosantes a utilizar se observa un

rango de pH en los que estos mantienen vida útil, para la CMC es de 4 a 10 y

para el Cellosize de 2 a 12.

3.2 Detergentes

El termino “detergentes” es aplicado a materiales y/o productos que proveen las

funciones tanto de promover la remoción de material de superficie como de

dispersar y estabilizar estos materiales. (Showell 2006) .Son Agentes químicos

usados para la eliminación de la suciedad insoluble en agua, estos al

interactuar con el agua disuelven partículas grasas y materia orgánica de un

material, de esta forma gracias a su tensoactividad consigue una limpieza

química (Spitz 2004).

27

http://es.wikipedia.org/wiki/PHmetro

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3.2.1 Función y propiedades

Los detergentes son compuestos que permiten variar la tensión superficial del

agua y son los causantes de la Humectación, Penetración, Emulsión y

suspensión de la suciedad. Su estructura está compuesta por dos partes: una

Hidrófilica (afinidad con el agua) y otra Hidrofóbica (afinidad con aceites), lo que

permite formar puentes de agua y aceite, ayudando a remover la suciedad.

La estructura química de un detergente se ilustra en la figura 3.

Figura 3. Estructura de un detergente (Tomado de: www.ciencianet.com)

La habilidad de cumplir esta función depende de la composición de la

formulación, las condiciones de uso, la naturaleza de la superficie a tratar y por

último de las características de la sustancia que se desea remover o dispersar

(Lima 2007).

Un buen detergente debe cumplir con las siguientes propiedades: (1) Tensión de superficie, es la disminución de la tensión superficial del agua que permite

mayor penetración del agente de limpieza dentro de la suciedad, lo que permite

una mayor superficie a ser limpiada en un mismo momento. (2) Dispersión y suspensión, mientras la tensión superficial permite una mayor penetración de

agua sobre la superficie, el detergente envuelve la suciedad (dispersión) luego

la mantiene en suspensión lo que provoca que pueda ser removida fácilmente.

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(3) Emulsión, los emolientes son adheridos a los detergentes para disolver los

lípidos tales como aceites y grasas y transforman los mismos en una solución

de fácil remoción. (4) Penetración, esta propiedad hace que el detergente se

dirija hacia el centro de las partículas de suciedad, rompiendo las proteínas y

permitiendo que el mismo trabaje a través del área sucia ayudando a disolverla

(Trick WE y col 2002).

3.2.2 Clasificación

De forma general los detergentes se clasifican de acuerdo a su presentación,

reacción y uso.

3.2.2.1 Presentación

La presentación del detergente depende su proceso de fabricación, de su

formulación y de su uso comercial. Se clasifican en: (1) polvo, (2) barra, (3) líquido y por ultimo (4) hojuelas.

3.2.2.2 Reacción

Según la reacción que se presenta en el momento de su elaboración, y esto de

acuerdo al surfactante que presentan, los detergentes se clasifican en cuatro

grupos (Maimone 2008):

(1) Aniónicos, son detergentes simples similares a los detergentes comunes

usados en el hogar. Son aquellos cuya carga iónica de la parte activa son

aniones. Son aceptables para el trabajo de limpieza de superficies sin embargo

no tiene la habilidad de los agentes catiónicos para matar bacterias. Además los

cambios de PH impactan en su efectividad. Estos detergentes frecuentemente

producen espuma la cual deja un residuo en la superficie que puede causar,

con el tiempo, manchas en la misma que deben ser removidas. Son usados

para disminuir la tensión superficial y emulsificar.

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(2) Catiónicos, son usados en germicidas y fungicidas. Tienen algunas de las

propiedades de los aniónicos, sin embargo no son los detergentes más

efectivos. Estos detergentes no son compatibles con los aniónicos y están

formulados con detergentes no iónicos para conseguir una formulación

detergente desinfectante. Un ejemplo son el cloruro de dimetilbenzilamonio y

bromuro de cetiltrimetilamonio.

(3) No iónicos, son aquellos que no se ionizan en soluciones acuosas, no

presentan cargas, tienen la mayor propiedad de detergencia y son muy estables

en aguas ácidas o duras. No son germicidas y tienen baja espuma. No dejan

manchas en superficies y no requieren enjuague (Maimone 2008).

(4) Anfóteros, son aquellos que bien se comportan como aniones o como

cationes dependiendo de la acidez de la solución así que se encuentran cargas

positivas y negativas en al estructura de la molécula.

3.2.2.3 Usos

Por su uso comercial se clasifican en (Showell 2006):

(1) lavandería, son utilizados como principales agentes de limpieza. Estos a su

vez se dividen en dos categorías principales, jabonosos y no jabonosos; los

primeros se producen principalmente al calentar grasas y aceites animales o

vegetales con hidróxido de sodio, mientras que los segundos se basan de

petroquímicos derivados de aceites minerales que reaccionan con ácido

sulfúrico (Moore 1973).

(2) industrial, poseen un alto poder desengrasante, disolvente, bactericida y

corrosivo, el surfactante más común es el hidróxido de sodio o soda cáustica.

(3) limpieza doméstica, en este tipo de detergente se encuentran los

lavavajillas, desinfectantes y limpiadores, poseen alto poder bactericida y

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disolvente, no son corrosivos ya que es de uso casero y presentan

generalmente un pH entre neutro y básico.

(4) limpieza personal, en esta categoría se encuentran productos como

champús, jabones corporales, crema dental, entre otros; poseen alto poder

humectante, por lo general son de alta viscosidad ya que tanto esta propiedad

como propiedades organolépticas son de vital importancia, estos productos

presentan un pH neutro debido a su contacto directo con el consumo humano.

(Showell 2006).

3.3 Detergentes líquidos

Su fácil dosificación y flexibilidad de temperatura de trabajo constituyen unas de

las ventajas frente a detergentes en otras presentaciones como polvo, barra y

hojuelas, que si bien poseen una formulación más sencilla (ya que no requieren

producir dispersión de los constituyentes requeridos en una forma estable como

en los detergentes líquidos) no se igualan en eficiencia. Por lo anterior grandes

compañías se han dedicado a la producción y desarrollo de detergentes

líquidos más eficientes y con mejores propiedades (Smulders 2002).

3.3.1 Componentes

Como se mencionó anteriormente, dependiendo del uso del detergente, se

formula un producto con ingredientes específicos que se seleccionan con base

en la capacidad de realizar una función. De manera general, los detergentes

presentan dentro de sus formulaciones unos ingredientes básicos.

3.3.1.1 Surfactantes

Entre los componentes más comunes se encuentran los surfactantes o agentes

tensoactivos los cuales cumplen la función de modificar la interfase reduciendo

la tensión interfacial para promover la dispersión de una fase en otra, de esta

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forma la mugre es encapsulada, removida de la superficie y dispersada en el

agua todo gracias a su carácter hidrofóbico e hidrofílico al mismo tiempo. Según

el comportamiento hidrofílico se clasifican en surfactantes de tipo aniónico,

catiónico, no iónico y anfótero.

3.3.1.1.1 Surfactantes aniónicos

Los surfactantes aniónicos contienen generalmente un grupo polar soluble

como carboxilato, sulfonato, sulfato o fosfato, combinado con una cadena

hidrocarbonada hidrófoba. Si dicha cadena es corta son muy hidrosolubles, y de

lo contrario tendrán baja hidrosolubilidad y actuaran en sistemas no acuosos

como aceites lubricantes (Linfield 1976).

Dentro de esta clasificación se encuentran compuestos como el alquilbencen

sulfonato lineal (LABS) o los alquilsulfatos (AS) derivados principalmente del

petróleo, y de alta utilización en la industria de jabones y detergentes (Spitz

1997).

3.3.1.1.2 Surfactantes catiónicos

Los surfactantes catiónicos comúnmente utilizados en detergentes, agentes

limpiadores, líquidos lavavajillas y cosméticos están compuestos por una

molécula lipofílica y otra hidrofílica, consistente de uno o varios grupos amonios

terciarios o cuaternarios. Las sales de cadenas larga de amonio terciarias,

obtenidas por neutralización de las aminas con ácidos orgánicos o inorgánicos,

son raramente usadas en detergentes y preparaciones para limpieza. Su

principal aplicación esta en el tratamiento de textiles y ocasionalmente como

suavizantes tipo acondicionador (Jungermann 1970).

Las sales de amonio cuaternarias con un solo grupo alquilo (C12-C18), o dos

grupos mas cortos (C8-C10) son usados como sustancias activas

antimicrobianos. Debido a su capacidad para adsorber sobre fibras o cabello,

32

http://www.monografias.com/trabajos11/grupo/grupo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos16/industria-ingenieria/industria-ingenieria.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/grupo/grupo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/aciba/aciba.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/dinamica-grupos/dinamica-grupos.shtml

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los inicialmente mencionados sirven como acondicionadores para el cabello

(Spitz 1997).

3.3.1.1.3 Surfactantes no iónicos

Los surfactantes no iónicos no se disocian en iones hidratados en medios

acuosos. Las propiedades hidrofílicas son provistas por hidratación de grupos

amida, amino, éter o hidroxilo. Cuando existe un número suficiente de estos

grupos la solubilidad acuosa es comparable con la de los surfactantes iónicos.

Las aplicaciones son extensas y dependen de la cantidad de grupos polares

presentes, que determinaran la solubilidad tanto en agua como en aceite

(Schick 1967).

3.3.1.1.4 Surfactantes anfóteros

Los surfactantes anfóteros tienen dos grupos funcionales: uno aniónico y otro

catiónico. Según el pH una de las dos disociaciones domina (aniónico a alto pH,

catiónico a bajo pH). Cerca del punto isoeléctrico, son realmente anfóteros y

presentan una mínima actividad superficial.

Estos surfactantes son poco irritantes, y según el pH pueden presentar

adsorción sobre superficies con cargas positivas o negativas. Son compatibles

con los demás tipos de surfactantes y se usan en formulaciones no-tóxicas

(SCHWARTZ., PERRY & BERCH 1977).

3.3.1.2 Potenciadores

Los constructores o potenciadores, los cuales aumentan o mantienen,

dependiendo del tipo de detergente, la eficiencia del agente tensoactivo

mediante la inactivación de las aguas duras.

33

http://www.monografias.com/trabajos14/medios-comunicacion/medios-comunicacion.shtml

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3.3.1.3 Secuestradores

Los secuestradores son aquellos que capturan los grupos álcalis, estos

controlan los iones metálicos presentes en el agua mediante la remoción de los

iones de calcio y magnesio que pueden ocasionar inactivación del detergente.

3.3.1.4 Solventes

Los solventes en la formulación y generalmente el agua, es el más utilizado

gracias a su compatibilidad con las superficies además que es un medio de

transporte efectivo.

3.3.1.5 Ingredientes minoritarios

Finalmente están los ingredientes minoritarios dependiendo del uso se

implementan, estos son los blanqueadores, algunas enzimas, lipasas,

elevadores de espuma y espesantes o viscosantes entre otros (Showell M.

2006).

3.3.2. Formulación de un detergente de uso industrial

La formulación de un detergente depende generalmente del uso comercial de

este y de los requerimientos establecidos, especialmente los referentes a

impactos ambientales, biodegradabilidad y nivel de espuma. Por lo anterior

existen bastantes formulaciones de detergentes.

Para el caso en particular del proyecto a desarrollar, el cual consiste en un

detergente líquido industrial, se planteo la formulación flexible descrita en la

tabla 4.

Tabla 4. Formulación detergente líquido de uso industrial (Showell 2006)

Compuesto % Peso Función

ADBS Lineal 15 Surfactante aniónico

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Soda Cáustica 2-2,5 Potenciador

Nonil Fenol 10M 2,5 Surfactante no-iónico

Agua 79,5 Solvente

CMC/Cellosize 0,5-1 Viscosante

3.3.3 Incorporación de viscosantes en detergentes

Un problema que se presenta al adicionar los viscosantes al detergente es el de

controlar aquellas variables que influencian de manera directa las propiedades

finales del producto. En esta investigación se estudian la influencia del pH

detergente base (el cual se entiende por el detergente antes de la incorporación

de un viscosante), la velocidad de agitación, y la concentración de viscosante.

Aunque no son objeto de estudio experimental, se tienen en cuenta variables

relevantes como temperatura y velocidad de adición.

3.3.3.1 Influencia del pH del detergente

El pH alcanzado por el detergente influye en la estabilidad del viscosante, y

como se ilustra en la figura 4, un rango de pH entre 4 y 10 es apropiado para

CMC ya que valores de pH entre 7 y 9 lo mantienen estable mientras que

valores mayores o menores a este pueden ocasionar inactivación del

viscosante o inestabilizad.

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Figura 4. Efecto del pH en la viscosidad de CMC (Tomado de: www.herc.com)

Por otro lado, como se mencionó anteriormente, Cellosize tiene un rango de

trabajo mas amplio, que en el caso del pH esta entre 2 y 12 donde no altera la

viscosidad de la soluciones de Cellosize, sin embargo por debajo de 5

empiezan a desestabilizarse ligeramente.

3.3.3.2 Influencia de la velocidad de agitación

La velocidad de agitación debe tenerse en cuenta ya que tiene un efecto sobre

el patrón de la mezcla, es decir, a un determinado tiempo de agitación, una baja

velocidad puede ocasionar aglomeración de viscosante y que éste no logre

incorporarse totalmente mientras que una velocidad mayor logrará homogenizar

la mezcla en la misma cantidad de tiempo.

3.3.3.3 Influencia de la concentración del viscosante

La figura 5 muestra un considerable aumento en la viscosidad a medida que se

incrementa la concentración de Cellosize. Este comportamiento varía de

acuerdo al tipo de Cellosize que se maneja, en este caso QP52000H.

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Figura 5. Efecto de la concentración de Cellosize en solución acuosa en la viscosidad

(Tomado de: www.dow.com)

La viscosidad de soluciones acuosas de CMC se incrementa rápidamente con

el aumento de la concentración como se muestra en la figura 6. Para la CMC

trabajada en esta investigación, debe notarse el comportamiento de CMC 7H.

Figura 6. Efecto de la concentración de CMC en solución acuosa en la viscosidad (Tomado de:

www.herc.com)

37

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3.3.3.4 Otros factores influyentes

La temperatura es un factor que influye directamente en el producto final, ya

que esta afecta la solubilidad de un sólido (como los viscosantes) en un líquido

(agua). A medida que aumenta la temperatura aumenta la solubilidad. Además

como se mencionó anteriormente la temperatura tiene influencia en la

viscosidad de líquidos debido a las rupturas en la estructura de las moléculas

que ocasionan los incrementos de temperatura.

Figura 7. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de

Cellosize (Tomado de: www.dow.com)

La viscosidad de las soluciones de CMC y Cellosize depende de la temperatura

como se ve en las figuras 7 y 8. Bajo condiciones normales, el efecto de la

temperatura es reversible, así que no tiene un efecto permanente en la

viscosidad. Sin embargo largos periodos de calentamiento y altas temperaturas

degradarán los viscosantes y reducirán la viscosidad de manera permanente.

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Figura 8. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de CMC (Tomado de: www.herc.com)

Aunque aumentar la temperatura reduce la viscosidad en ambos casos, la

temperatura no es una variable estudiada en esta investigación, ya que el

objeto de estudio esta dirigido a una aplicación a nivel industrial y el hecho de

incluirle gastos energéticos para aumentar la temperatura, no es deseable ni

factible en un proceso a escala.

Finalmente otro factor importante es la velocidad de adición del viscosante

acuoso al detergente, como la cantidad de viscosante (CMC o Cellosize) en la

formulación es tan poca (1% o menos) podría despreciarse este efecto, pues su

incorporación será rápida debido a su mínima participación en el detergente.

3.3.4 Caracterización de detergentes

Después de incorporado el viscosante al detergente, se debe proceder a

evaluar las propiedades mas relevantes que debe cumplir un detergente líquido

de uso industrial, las que se consideran en este estudio son: viscosidad, poder

espumante y estabilidad del detergente.

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3.3.4.1 Determinación de viscosidad

La prueba consiste en medir la resistencia del fluido, en este caso el detergente,

al movimiento rotatorio, esta prueba se realiza con un viscosímetro tipo

Brookfield. El viscosímetro mide la resistencia que presenta el fluido o su

capacidad de fluir cuando se le aplica una fuerza interna que lo induce al

movimiento, bajo condiciones determinadas.

3.3.4.2 Determinación de espumosidad

La espuma es una capa de líquido globular (fase dispersante) enclaustrando

vapor o gas (fase dispersa). Tienen un comportamiento similar a las emulsiones

en donde capas de adsorción rodean la fase dispersa en ambos sistemas. Sin

embargo, las espumas difieren de las emulsiones en dos aspectos: la fase

dispersa es un gas en las espumas y un líquido en las emulsiones; las burbujas

de gas de las espumas son mucho más grandes que los glóbulos en las

emulsiones (Zulina 2006).

El poder espumante o espumosidad es la propiedad que indica cuanta espuma

puede producir una solución detergente al someterse al estimulo de vibración.

3.3.4.3 Determinación de estabilidad de viscosante en detergentes

La estabilidad consiste en una situación donde un sistema se mantiene en

estado estacionario, es decir, igual en el tiempo y si se realiza una modificación

en las condiciones iniciales no se altera significativamente el futuro de este. La

estabilidad del viscosante en la solución detergente base es muy importante ya

que esta determina si el viscosante, su concentración y la forma de

incorporación son adecuadas. Está relacionado con degradación de la CMC y

ataque microbiológico al mismo. Esta estabilidad se valora por medio de la

observación de cambios al someter al detergente a condiciones ambientales

extremas.

40

http://es.wikipedia.org/wiki/Vapor

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Emulsi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Burbuja

http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_estacionario

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4. Materiales y métodos

4.1 Materiales

Para los experimentos realizados, se han usado algunos reactivos y equipos los

cuales se presentan a continuación.

La tabla 5 contiene los reactivos que se utilizaron, con sus respectivas

cantidades y la descripción del uso del reactivo en la experimentación del

proyecto. Tabla 5. Lista de reactivos empleados en la experimentación

_____________________________________________________

Reactivo Experimento Cantidad ____________ gr. _____________________________________________________

Agua 18985 Formulación (solvente)

Soda Cáustica 599 Formulación (potenciador

ADBS Lineal 3650 Formulación (surfactante)

Nonil Fenol 10M 589.5 Formulación (surfactante)

CMC 144 Caracterización

Incorporación (viscosante)

Cellosize 144 Caracterización

Incorporación (viscosante)

__________________________________________________

De la misma forma, la tabla 6 contiene los equipos utilizados durante la

investigación junto con la descripción del uso del equipo en la experimentación

del proyecto. Tabla 6. Equipos empleados en la experimentación

______________________________________________________ Equipo Experimento

______________________________________________________ pH-metro Caracterización por pH

Evaluación pH del detergente

Viscosímetro Brookfield Caracterización por viscosidad

41

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Evaluación viscosidad detergente

Tamices Tyler Caracterización por granulometría

Agitador Lightnin Incorporación de viscosantes

Plancha calentamiento Disolución de viscosantes

Congelador Prueba de estabilidad a 4ºC

______________________________________________________

4.2 Metodología

El trabajo se divide en cuatro partes experimentales que son: (1)

Caracterización de viscosantes, (2) obtención del detergente base, (3)

incorporación del viscosante en el detergente y finalmente (4) evaluación de

algunas normas ASTM en el detergente obtenido. La figura muestra el diseño

experimental de manera general.

Figura 9. Diseño experimental del proyecto

42

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4.2.1 Caracterización de los viscosantes

Con el fin de evaluar algunas de las propiedades más relevantes a analizar para

este estudio, se realizaron tres pruebas a los viscosantes de granulometría, pH

y viscosidad.

4.2.1.1 Granulometría

La granulometría o análisis por tamizado, como se indica, es un análisis que

emplea un tamiz analítico para caracterizar de manera aproximada la

distribución del tamaño de partículas que componen una muestra sólida. Se

hace pasar una muestra por una serie de mallas de alambre, las cuales están

ubicadas verticalmente una sobre otra de tal forma que el mayor tamaño de

partícula se quedará en la parte de arriba mientras el menor se retiene en la

malla de abajo.

Se prepararon dos muestras de CMC y Cellosize en polvo de 20 gramos cada

una. Posteriormente se hicieron pasar por tamices de malla # 18(1 mm), malla

# 35(0.5 mm), malla # 60(0.250 mm) y malla # 120(0.125 mm), los cuales son

tamices Tyler acoplados, sometiéndolos a una agitación mecánica moderada y

constante durante 3 minutos.

Por último se separan los tamices y se pesan las muestras retenidas por cada

tamiz para lograr determinar la distribución de partículas. Se escogieron este

tamaño de tamices, ya que el proveedor de los viscosantes reportó en las hojas

de especificación tamaños de partícula de los viscosantes que se encuentran

dentro del rango manejado.

43

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4.2.1.2 Viscosidad

La prueba consiste en medir la resistencia del fluido al movimiento rotatorio,

esta prueba se realiza con un viscosímetro tipo Brookfield RVDV-II+. El

viscosímetro mide la resistencia que presenta el fluido cuando se le aplica una

fuerza interna que lo induce al movimiento, bajo condiciones de temperatura y

presión ambiente. En este caso, se tomaron dos muestras de 400 ml de una

solución acuosa de Cellosize y CMC cada una al 1%.

Se procedió a medir con el viscosímetro de Brookfield usando la aguja 64 la

cual es la apropiada para medir rangos de viscosidad altos como se esperaba

que tuvieran los viscosantes. Se tomaron diferentes datos de viscosidades

variando la velocidad de tal forma que se pueda determinar su comportamiento

como fluido.

4.2.1.3 pH

El pH es un indicativo para determinar la acidez o alcalinidad de una sustancia,

este se encarga de medir la concentración de los iones de hidrógeno de una

solución.

Tomando las mismas muestras que se utilizaron para medir la viscosidad, se

procedió a medir el pH usando el pH-metro digital. Esta medición es de

importancia ya que antes de adicionar el viscosante en el detergente se espera

que este maneje un rango de pH entre 4 y 8 pues de lo contrario se debe

controlar ya que si llegase a ser muy bajo (menor a 4), el viscosante no se

activara y por el contrario, un pH muy alto (mayor de 9) hará que el viscosante

objeto de estudio se desestabilice

44

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4.2.1.4 Dilución de los viscosantes en agua

Para incorporar el respectivo viscosante al detergente base, se realiza una

dilución de estos en una cuarta parte del agua de la formulación del detergente

final, lo anterior se realiza con el objetivo de que el agua sirva como transporte

para el viscosante y le ayude a ser más afín con el detergente logre una

incorporación más exitosa.

Las diluciones acuosas de viscosantes se realizan de forma que se disperse en

todo el volumen de agua, usando un agitador mecánico a 100 rpm durante una

hora. A continuación se deja reposar por 12 horas aproximadamente para

permitir que las moléculas de CMC ó Cellosize se disuelvan en las del agua.

Las diluciones de ambos viscosantes se presentan en la figura 10.

Figura10. Viscosantes diluidos a diferentes concentraciones

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4.2.2 Elaboración de la solución detergente base

La composición para un detergente líquido de uso industrial fue obtenida

mediante la revisión de literatura especializada en el tema (Showell 2006), y se

trabaja con una formulación flexible en la cual se permiten hacer variaciones de

acuerdo al objetivo final del detergente. La variación de pH se logra mediante la

manipulación de las cantidades empleadas de hidróxido de sodio y agua en la

formulación. La tabla 7 presenta una aproximación a las cantidades de cada

compuesto en gramos y su respectivo porcentaje dentro de la formulación.

Tabla 7. Composición del detergente liquido para 1 Litro ______________________________________________ Compuesto Fracción en peso Cantidad ____________

gr. ______________________________________________

ADBS Lineal 157.5 15.5 Soda Caústica 20.8 2.1

Nonil Fenol 10M 25.0 2.5 Agua 798.4 78.7

CMC/ Cellosize 12 1.2

Total 1013.7 100

______________________________________________

Debido a que durante la incorporación de los reactivos se desprenden vapores

nocivos para la salud, todo el procedimiento se debe llevar a cabo en la

campana de extracción, usando gafas y guantes de nitrilo por seguridad. El

procedimiento para la elaboración de detergente base se ilustra en la figura 11.

Primero se diluye el ADBS en la mitad del agua, agitando ligeramente gracias a

que este es un compuesto muy soluble en medio acuoso. Esta agitación

permite a las moléculas de los compuestos interactuar para una mejor

incorporación.

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Figura 11. Procedimiento para la elaboración de detergente base

A continuación se procede a añadir la soda cáustica de acuerdo a la

formulación, disuelta en el agua restante (un cuarto del agua total) de manera

lenta y uniforme manteniendo la agitación moderada debido a que la reacción

que ocurre es exotérmica, se libera calor por medio de vapores tóxicos y un

incremento de la temperatura en la solución. Posteriormente se espera a que el

sistema se enfríe a condiciones ambiente, y se adiciona el nonil fenol

mezclándolo levemente.

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4.2.2.1 Viscosidad y pH

De la misma forma en que se midió la viscosidad y el pH para los viscosantes

diluidos (numerales 4.2.1.2 y 4.2.1.3), se toma una muestra de 400 mL de la

solución detergente base y por medio del viscosímetro Brookfield y el pH-metro

digital se realizan las respectivas mediciones, con el fin de conocer algunas de

las propiedades del detergente antes de la incorporación de los viscosantes

para finalmente determinar su efecto.

4.2.2.2 Espumosidad

El poder espumante de una solución, mide la cantidad de espuma que es capaz

de realizar un compuesto cuando es altamente diluido en agua y sometido a

agitación durante un determinado tiempo. Su metodología se detalla en el

numeral 4.2.4.1.

4.2.3 Incorporación de viscosantes al detergente base

La investigación se realizó a través de un diseño de experimentos factorial 3k

donde k es el número de factores, en este caso son 3: velocidad de agitación,

pH y concentración del viscosante. Este método permite trabajar con un número

elevado de factores y son válidos para estrategias secuenciales lo cual se

ajusta a este caso.

La tabla 8 presenta los valores de los factores a estudiar en esta investigación.

La incorporación del CMC y del Cellosize se realizará empleando 27

tratamientos diferentes por cada viscosante donde se cambiaran de forma

aleatoria los tres factores estudiados: velocidades de agitación, concentraciones

del viscosante en la formulación del detergente y pH del detergente base, cada

uno a tres niveles clasificados como alto, medio y bajo.

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Tabla 8. Diseño experimental para incorporación de viscosante ________________________________________________________________ pH Concentración Velocidad

Viscosante (rpm) _________________________________________________________________ 1.Bajo (4) 1.Bajo (0.5%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800) 3.Alto (1000) 2.Medio (0.8%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800) 3.Alto (1000)

3. Alto (1%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800)

3. Alto(1000)

2. Medio (6) 1. Bajo (0.5%) 1. Bajo(500) 2. Medio(800) 3. Alto (1000) 2. Medio (0.8%) 1. Bajo (500) 2.Medio (800) 3. Alto (1000) 3. Alto (1%) 1. Bajo (500) 2. Medio(800) 3. Alto (1000)

3. Alto (8) 1. Bajo(0.5%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto (1000) 2. Medio (0.8%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto(1000) 3. Alto (1%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto (1000)

_______________________________________________________________

*El pH se ajusta con soda caustica hasta que se llegue a la mejor dilución del viscosante dentro del rango de pH estipulado.

** CMC se identifica como a y Cellosize como b.

Como se muestra en la figura 12, la incorporación se realiza por medio de la

adición lenta del viscosante diluido al detergente base el cual es perturbado por

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medio de un agitador mecánico durante 10 minutos (debido a que el detergente

se comporta como una emulsión se usa un rango de tiempo de agitación de 7 a

10 minutos). Posteriormente así como en la dilución, se deja reposar durante

doce horas para evaluar si logró incorporarse.

Figura 12. Montaje para la incorporación de viscosante

En el caso de la CMC al poseer partículas más grandes y de menor

funcionalidad que las del Cellosize, se da un rango de 5 días, donde cada 24

horas se observa la muestra y se agita con una varilla de vidrio de acuerdo a

como se observe la solución con el objetivo de evaluar cualitativamente ésta.

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4.2.4 Caracterización del detergente líquido obtenido

4.2.4.1 Espumosidad

La espuma producida por el detergente en el momento en que inicia el proceso

de limpieza, presenta dos fases, una gaseosa que es la fase dispersa y la otra

liquida la cual es dispersante.

Para la evaluación del poder espumante se utiliza el método del cilindro, este

es uno de los más usados para la evaluación de espumosidad de los

detergentes a nivel mundial. En este se mide el volumen de espuma obtenido al

someter una disolución del detergente a un movimiento de 180° repitiéndolo 30

veces por un minuto (norma ASTM D1173).

Figura 13. Montaje poder espumante

Como se muestra en la figura 13 el montaje para medir el poder espumante

consiste en una probeta de 500ml con 200ml de solución acuosa del detergente

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al 1%. Se agita de la forma especificada anteriormente y se mide la espuma

obtenida cada 6 minutos durante media hora.

4.2.4.2 Viscosidad

La viscosidad de los fluidos no newtonianos como lo son los detergentes

líquidos, se define como la relación entre esfuerzo cortante y velocidad de

deformación, la cual presenta un comportamiento no lineal debido a se ve

afectada por variables como la temperatura y la presión, entre otros factores.

Figura 14. Montaje viscosidad

Para medir la viscosidad del detergente obtenido, el líquido se coloca en un

recipiente de 400 ml y se introduce en el viscosímetro que proporciona una

velocidad en el montaje como se observa en la figura 14, el viscosímetro

Brookfield reporta la viscosidad o capacidad de este fluido de moverse cuando

se somete a un esfuerzo, (norma ASTM D3716).

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El proceso de selección de aguja y de velocidad en el viscosímetro de

Brookfield se realiza generalmente por medio de ensayo y error. Sin embargo,

la aguja escogida debe producir al menos tres resultados entre 10% al 100%

de torque, para el tipo de soluciones como el detergente obtenido se usa la

aguja 64 que es una de las más pequeñas y se usa para altas viscosidades.

El rango de viscosidad máximo de esta aguja a cualquier velocidad es igual al

factor de la aguja multiplicado por 100+. Por otra parte la viscosidad mínima

que puede ser medida es igual a 10 veces el número de la aguja.

4.2.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente

La estabilidad acelerada es una serie de pruebas para determinar la

persistencia de un producto. Una estabilidad aceptable se puede definir como el

tiempo de almacenamiento y uso que una formulación particular permanece con

especificaciones físicas, químicas y de viabilidad constante y definida. Uno de

los factores principales a los que se somete el producto es a cambios de

temperatura, ya que se cree que éstos afectarán la estabilidad de una

formulación. Las temperaturas a probar son: 4ºC, 25 °C y 40ºC, escogidas de

manera tal que permitan observar el comportamiento del detergente a cambios

significativos de temperatura. Se toman tres muestras de cada prueba y se

someten cada una a la temperatura de interés para evaluar la estabilidad, para

la temperatura alta se usará un horno de temperatura controlada a 40°C, para

la temperatura media, se deja a condiciones ambiente (alrededor de 20°C) y

finalmente para la temperatura baja se utiliza un refrigerador (Congelador marca

Thermo) que lo somete a dicha temperatura. Cada evaluación se llevara a cabo

durante 12 horas. Las pruebas sometidas a esta evaluación son escogidas

aleatoriamente, cada una de un respectivo viscosante.

Las propiedades que se pretenden medir para cada temperatura, son: (1)

viscosidad del detergente, (2) evaluación cualitativa de las apariencias. El

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análisis de estabilidad se evaluará diariamente durante 2 días, midiendo la

viscosidad y la espumosidad en dos ocasiones, la primera al terminar el

sometimiento de las pruebas a las respectivas temperaturas y la segunda 24

horas después.

4.2.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial

Con el fin de comparar el detergente obtenido con uno comercial, se realizan

las mismas pruebas de caracterización del detergente al de tipo comercial.

Posteriormente se compara y analiza.

El detergente comercial escogido es detergente Ajax líquido floral, el cual es

un detergente multiusos de pH neutro, es producido por Colgate Palmolive.

Para efectos de comparación, su formulación es similar a la del detergente

elaborado para la experimentación, como se presenta en la tabla 9.

Tabla 9. Formulación del detergente comercial (Tomado de detergente Ajax floral multiusos) _____________________________________________

Compuesto Cantidad (%) _____________________________________________ Agua 83

Surfactantes 15 Viscosante 0.9 Esencia floral 0.7 Color 0.4

_____________________________________________

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5. Resultados obtenidos

5.1 Caracterización de los viscosantes Los viscosantes Carboximetil Celulosa (CMC) e Hidroxietil Celulosa (Cellosize)

fueron caracterizados con el fin de conocer algunas de sus propiedades físicas

y de ésta forma conocer las condiciones que aportan a la solución detergente.

5.1.1 Granulometría

Como se mencionó anteriormente, el análisis por tamizado o granulometría, se

realiza para obtener una aproximación de la distribución de partículas y el

tamaño de éstas. Se realizaron dos experimentos por cada viscosante, cada

uno de 20 gramos y en las tablas 10 y 11 se presentan el promedio de los

resultados de las dos pruebas. Los resultados son representados en las

gráficas 1, 2, 3 y 4. Tabla 10. Resultados obtenidos de granulometría de CMC ________________________________________________________

Mallas Abertura Fracción Diámetro Fracción del Tamiz, másica medio de acumulada Dpi (mm) retenida, xi partícula (mm) inferior a Dpi_________________________________________________________

18 1 0.0000 ------- 1.0000 35 0.5 0.0006 0.7500 0.0994 60 0.25 0.0210 0.3750 0.9784

120 0.125 0.1588 0.1875 0.8196 Tapadera ----- 0.8196 0.0625 0.0000

_________________________________________________________

Tabla 11. Resultados obtenidos de granulometría de Cellosize __________________________________________________________ Mallas Abertura Fracción Diámetro fracción

del Tamiz, másica medio de acumulada Dpi (mm) retenida, xi partícula (mm) inferior a Dpi__________________________________________________________

18 1 0.0035 ------- 1.0000 35 0.5 0.0050 0.7500 0.9915

60 0.25 0.0240 0.3750 0.9675 120 0.125 0.0574 0.1875 0.9101

Tapadera ----- 0.9101 0.0625 0.0000 __________________________________________________________________

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Gráfica1. Análisis diferencial de partículas de CMC

Gráfica2. Análisis acumulativo de partículas de CMC

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Gráfica3. Análisis diferencial de partículas de Cellosize

Gráfica4. Análisis acumulativo de partículas de Cellosize

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5.1.2 Viscosidad

Se midió la viscosidad de soluciones de Carboximetil celulosa y Cellosize en

agua al 1%, a una temperatura de 18 ºC y se utilizó la aguja 64 del

viscosímetro Brookfield para conocer la resistencia a la fuerza del fluido en

movimiento, los resultados se muestran en la gráfica 5.

Gráfica5. Viscosidades de CMC y Cellosize al 1%

5.1.3 pH

La medición de pH se realizó a temperatura de 18ºC, presión ambiente y con

las muestras de CMC Y Cellosize disueltas cada una al 1% en peso. Los

valores encontrados son:

- pH (CMC) = 7.48

- pH (Cellosize) = 6.14

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5.2 Elaboración de la solución detergente base

5.2.1 Viscosidad

Se realiza el procedimiento descrito (numeral 4.2.2) para la obtención del

detergente y se midieron tanto la viscosidad del producto obtenido como el pH

con el fin de conocer estos valores antes de ser incorporado el viscosante. Los

resultados se presentan en la tabla 12 y se ilustran en la gráfica 6.

T abla 12. Resultados de viscosidad del detergente líquido______________________________________________

Velocidad Viscosidad Aguja 64 Cizallamiento dinámica ____________ ____________

Rpm cPs ______________________________________________

10 1923 20 1766

30 1520 60 1206

100 1085

_____________________________________________

Gráfica 6. Viscosidad del detergente base.

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El detergente fue separado en 3 recipientes para que cada uno tuviera una

cantidad de hidróxido diferente tal que alcanzara el pH de 4, 6 y 8

respectivamente, la diferencia entre estos fue entre 1 a 2 gramos.

5.2.2 Influencia de la cantidad de soda cáustica en el pH del detergente

Para conocer la influencia de la cantidad de hidróxido de sodio en el pH final del

detergente base, se realizaron 7 pruebas, para cada una se tomo la formulación

del detergente ajustando las cantidades de cada reactivo para 100ml de

solución. Se fijó la cantidad de Hidróxido de 2.5% y se fue reduciendo su

cantidad en peso para conocer el pH final alcanzado, la tabla 13 y gráfica 7

ilustran los resultados.

Gráfica 7. Efecto de la cantidad de soda cáustica empleada en la formulación respecto al pH del detergente base.

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Tabla 1 n el pH 3. Resultados de influencia de soda cáustica e_____________________________________

Concentración pH ______________________________________

0.3 1.3

0.4 1.5 0.5 2.0

0.6 1.7 0.7 13.2 0.8 12.9 0.9 13.3 1 13.6

______________________________________

5.2.3 Espumosidad

La tabla 14 muestra los resultados de poder espumante para el detergente

antes de ser incorporado cualquier viscosante, se evaluaron los tres

detergentes que tenían pH de 4, 6 y 8 respectivamente. Tabla 14. Resultados de espumosidad del detergente base

_______________________________________ pH Espumosidad

Tiempo (min) Volumen (ml) ______________________________________

4 0 480 6 440

12 400 18 380

24 360 30 350

6 0 470 6 420

12 390 18 370 24 360 30 350

8 0 470 6 420 12 370 18 360 24 360 30 350

____________________________________

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5.3 Incorporación de viscosantes al detergente base

5.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base

Se siguió el procedimiento mencionado en el numeral 4.2.3 para 3 pruebas

escogidas de manera aleatoria, con el fin de observar el comportamiento de la

CMC en el detergente. Las muestras se dejaron en reposo a condiciones

ambiente. Luego de 5 días se observó que se formó una capa gruesa del

viscosante en la parte superior de las muestras mientras en la inferior

permaneció el detergente. Por esta razón se procedió a un precalentamiento del

detergente base a una temperatura de 30°C durante 10 minutos y

posteriormente se sometió al procedimiento antes mencionado de

incorporación. Nuevamente se dejo reposar y al cabo de 5 días se observo una

incorporación exitosa.

5.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base

Con respecto a Cellosize, no hubo inconvenientes en la incorporación pues se

llevo a cabo de manera exitosa desde el comienzo, es decir, se realizó el mismo

procedimiento de prueba que con CMC obteniendo una correcta incorporación.

5.4 Caracterización del detergente líquido obtenido

Para la caracterización de las 54 muestras se realizaron los procedimientos del

numeral 4.2.4, los resultados se presentan a continuación.

5.4.1 Espumosidad

Para determinar la espumosidad se tomaron 6 datos por cada prueba (Como

se mencionó en la metodología), en las tablas que se presentan a continuación

se presentan las condiciones del experimento, el tiempo transcurrido y el

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volumen de espuma sumado con el de líquido, este volumen fue de 200ml para

todas las pruebas.

5.4.1.1 CMC

Tabla 15. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.

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5.4.1.2 Cellosize

Tabla 24. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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Tabla 30. Espumosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.

Tabla 31. Espumosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 800rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.

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5.4.2 Viscosidad

5.4.2.1 CMC

Tabla 33. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.

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Tabla 36. Viscosidad de CMC a pH 6, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.

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5.4.2.2 Cellosize

Tabla 42. Viscosidad de Cellosize a pH =8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones

de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.


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de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.


de 0.5, 0.8 y 1%.

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de 0.5, 0.8 y 1%.

5.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente

Se tomaron de forma aleatoria las pruebas enlistadas en la tabla 54 y se siguió

el procedimiento enunciado en el numeral 4.2.4.3. Con el objetivo de analizar el

comportamiento de las muestras se realizaron medidas de viscosidad de la

forma enunciada en el numeral 4.2.4.2 y de espumosidad como lo indica el

numeral 4.2.4.1. Los resultados se observan en las tablas 52, 53 y tabla 54.

Tabla 51. Muestras escogidas para examinar la estabilidad del viscosante _______________________________________________________________________

N. de muestra pH Velocidad Concentración Viscosante _______________________________________________________________________ 1 8 1000 1 Cellosize 2 8 500 0.8 Cellosize 3 4 1000 0.5 Cellosize 4 4 500 0.8 CMC 5 6 800 0.5 CMC 6 6 800 1 CMC

_______________________________________________________________________________

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Tabla 52. Muestras sometidas a temperatura ambiente (alrededor de 20°C)

____________________________________________________________________________ N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________

Día 1 Espumosidad (ml) 430 460 440 410 460 440 Viscosidad (cPs) 4250 2600 4890 3860 2245 3965

___________________________________________________________________________________

* La viscosidad se reporta a una velocidad de 30rpm

Tabla 53. Muestras sometidas a 4°C ____________________________________________________________________________

N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________ Día 1 Espumosidad (ml) 430 450 430 410 460 430

Viscosidad (cPs) 6950 4610 7786 5239 5230 5763

Día 2 Espumosidad (ml) 430 450 440 410 460 430

Viscosidad (cPs) 4310 2700 5100 3832 2210 4130

___________________________________________________________________________________

Tabla 54. Muestras sometidas a 40°C ___________________________________________________________________________

N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________ Día 1 Espumosidad (ml) 430 470 450 410 470 450

Viscosidad (cPs) 3800 930 1578 3210 1973 1576

Día 2 Espumosidad (ml) 430 460 440 410 460 450

Viscosidad (cPs) 4200 1504 2000 3763 2220 1854

___________________________________________________________________________________

Además de los cambios cuantitativos presentados, se observo que el

detergente que emplea Cellosize recupera su apariencia visual al cabo de 24

horas, más sin embargo para las pruebas con CMC se observo un ligero

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cambio en el color y en la homogeneidad ya que algunas muestras tomaron

zonas de heterogeneidad de color blanco.

5.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial

Se realizo la evaluación de las propiedades de viscosidad y espumosidad al

detergente Ajax multiusos floral a condición ambiente los resultados se enlistan

en la tabla 55

Tabla 55. Propiedades detergente comercial Ajax floral multiusos.

Propiedad Valor

pH 6

Viscosidad

(30 rpm,20°C, cPs)

4000

Tiempo(min) Espuma(mL)

0 480

6 450

12 410

18 370

24 360

Espumosidad

30 350

83

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6. Análisis de resultados

6.1 Caracterización de los viscosantes

6.1.1 Granulometría

Como se puede ver en las gráficas 8 y 9, las cuales resumen las gráficas 1 a 4,

conforme a los resultados del análisis de granulometría realizado a los

viscosantes, se observa que ambos presentan un comportamiento similar, pues

ambas curvas son similares, sin embargo la gráfica de Cellosize de análisis

acumulativo (gráfica 9) muestra una pendiente un poco mayor que la de CMC

(Gráfica2). La gráfica de análisis diferencial de Cellosize (Gráfica 3) dibuja una

curva un poco más alta y angosta, mostrando que Cellosize presenta partículas

mas finas, pues a un diámetro de malla menor a 0.125mm, el 91% de los

granos se retienen mientras que para CMC solo el 82% se retiene.

Gráfica 8. Análisis diferencial de partículas de los viscosantes

84

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 9. Análisis acumulativo de partículas de los viscosantes

Al ser las partículas de CMC un poco más grandes que las de Cellosize, se le puede atribuir que por ésta característica sea más difícil de diluir.

La estabilidad de un detergente está relacionada con el tamaño de grano del viscosante debido a que estas partículas se suspenden en la solución detergente y al tener mayor área superficial hay mayor control sobre el movimiento de las partículas, por lo que se puede predecir que el Cellosize tendrá mayor estabilidad.

6.1.2 Viscosidad

Al medir la viscosidad con el viscosímetro de Brookfield, se observa que cuando la fuerza del torque está por debajo del 10% no se obtendrá una medida segura ya que no es lo suficientemente viscoso. Las mediciones presentadas se registran para valores superiores al 10% por lo que se puede confiar en los resultados obtenidos. Por otra parte se observo que la aguja utilizada (64) es la más apropiada para este tipo de solución que es viscosa, ya que esta le proporciona la fuerza de inducción al movimiento adecuada y se ajusta al rango estimado de viscosidad reportado en la hoja técnica.

85

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

La disolución del Cellosize fue más sencilla que la de la CMC, ya que para

ambas fue necesario usar una agitación eléctrica pero para el Cellosize la

agitación empleo menor tiempo.

La viscosidad de la CMC diluida en agua al 1% es considerablemente mayor

que la de Cellosize a la misma dilución ya que a las mismas condiciones de

temperatura y presión ambiente (18ºC) y al valor de interés (30rpm) difieren en

un poco mas de 200cPs. Ambos viscosantes presentan comportamiento

pseudo-plástico pues a medida que fue aumentando la viscosidad de

cizallamiento en el experimento, su viscosidad fue disminuyendo.

La caracterización realizada de los viscosantes es similar al valor de la hoja

técnica de cada uno; mientras que en la hoja técnica se reporta una viscosidad

para la CMC (1%) entre 1500 hasta 2000 cPs a una velocidad de 30 rpm, la

experimentación reveló un valor de 1580 cPs (gráfica 5) a la misma velocidad.

En el caso del Cellosize (1%), la hoja técnica reporta un valor entre 1000 hasta

1400 cPs a 30 rpm, experimentalmente se encontró aproximadamente 1046

cPs a la misma velocidad.

6.1.3 pH

Con respecto al pH de los viscosantes, la hoja técnica coincide con los valores

obtenidos experimentalmente, para la CMC (1% ) se reporta un dato de pH

entre 6 hasta 8, se obtuvo un valor de 7.48 y para el Cellosize se reporta un pH

desde 5 hasta 7 y experimentalmente se obtuvo un valor de 6.14. Sin embargo

la temperatura que la hoja técnica reporta ambos los datos era de 25 °C,

mientras que en el laboratorio se mantuvo temperatura ambiente de

aproximadamente 18 °C, lo cual muestra la poca influencia de la temperatura en

la acidez.

86

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

6.2 Elaboración de la solución detergente base

6.2.1 Viscosidad

A un valor de 30rpm, el detergente base reporta un valor de viscosidad de1520

cPs, este resultado se debe a la presencia de ácido sulfónico en la formulación

pues es un reactivo denso.

La solución detergente base es un fluido pseudo-plástico ya que al medir su

viscosidad se observa que a medida que la velocidad de cizallamiento baja,

aumenta la viscosidad como se puede ver en comportamiento de la gráfica 6.

6.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente

La gráfica 7 muestra la influencia de la disminución de la cantidad de soda

cáustica en la formulación sobre el pH del detergente base, se puede apreciar

que un ligero cambio en la cantidad de soda ocasiona un cambio abrupto en la

alcalinidad del detergente.

Para obtener el rango de pH que se requiere (de 4 a 9) son necesarios de 13

(60% de la cantidad normal de hidróxido en una formulación para 1 L) a 16

gramos (70%) de soda cáustica diluidos en agua en la formulación para 1 Litro

de detergente.

6.2.3 Espumosidad

Se puede ver que a menor pH, hay mayor cantidad de espuma inicial

alcanzada, sin embargo, la espuma producida cae mucho mas rápido que con

los pH de 6 y 8, esto sugiere que el hidróxido de sodio, influye en alguna

medida el poder espumante de una solución.

87

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

6.3 Incorporación de viscosantes al detergente base

Al incorporar cada viscosante a la solución detergente base respectivamente,

se observo inicialmente una aglomeración del viscosante alrededor del agitador

mecánico, a lo largo de los 10 minutos que se dejo el agitador (este tiempo es

estimado para emulsiones) el viscosante se distribuyo en la solución detergente

logrando una mezcla homogénea y por supuesto aparentemente mas viscosa.

Esta aglomeración varió con el porcentaje de dilución del viscosante, así para el

más concentrado hubo mayor.

6.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base

Las pruebas escogidas de manera aleatoria de CMC incorporado en el

detergente se dejaron en reposo y a condiciones ambiente. Luego de

aproximadamente 5 días se observó que se formó una capa gruesa del

viscosante en la parte superior de las muestras mientras en la inferior

permaneció el detergente. Por esta razón se procedió a un precalentamiento del

detergente base a una temperatura de 30°C durante 10 minutos y

posteriormente se sometió al procedimiento antes mencionado de

incorporación. Nuevamente se dejo reposar y al cabo de 5 días se observo una

incorporación exitosa.

Con respecto a la incorporación de CMC, se presentaron dificultades

posiblemente debido a que la cantidad de agua distribuida a la dilución de

viscosantes fue muy poca (1/4 de la cantidad total) y en apariencia los

viscosantes se veían con una viscosidad considerable sobre todo el de

Carboximetil. Como las incorporaciones de CMC inicialmente parecían

homogéneas se pensó que serían exitosas, pero al cabo del tercer día se

empezó a formar una capa en la parte superior, que se fue volviendo más

gruesa al cabo de 2 días más.

88

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Se tomo la decisión de precalentar el detergente pues una alta temperatura

contribuiría a la solubilidad del viscosante en el detergente. La temperatura fue

relativamente baja, pero el tiempo fue el necesario para alcanzar esa

temperatura sobre toda la mezcla. No se optó por precalentar el viscosante

aunque pudo ser otro método probablemente efectivo para ayudar a incorporar.

6.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base

Con respecto a Cellosize, no hubo inconvenientes en la incorporación pues se

llevo a cabo de manera exitosa desde el comienzo, es decir, se realizó el mismo

procedimiento de prueba que con CMC obteniendo una correcta incorporación

sin necesidad de tratamiento térmico.

La incorporación de todas 27 muestras de Cellosize fue lograda

satisfactoriamente, esto hace referencia a que a medida que pasó el tiempo

después de la incorporación, el detergente líquido permaneció igual, con

características de homogeneidad en toda la muestra sin ninguna formación de

grumos pequeños.

Esto se le atribuye a las partículas mucho más finas que presenta Cellosize con

respecto CMC, gracias a esto, presenta mayor dilución tanto en agua como en

el detergente sin ayuda de agentes externos como calor. Sin embargo si es

necesaria la agitación de la mezcla.

6.4 Caracterización del detergente líquido obtenido

6.4.1 Espumosidad

Para determinar la espumosidad se tomaron 6 datos por cada prueba (Como

se mencionó en la metodología) aunque solo se registra el primero.

La prueba de espumosidad al ser por el método del cilindro, como se describió

en el numeral 4.2.4.1, es una prueba en la cual la agitación es manual, pues se

89

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

realiza la agitación sometiendo a un giro de 180ºC la probeta durante un

determinado numero de veces, sin embargo al ser manual, no siempre se

realizará la agitación con la misma fuerza, lo cual puede generar un error en el

experimento.

6.4.1.1 CMC

Las tablas 15 a 23 muestran los datos obtenidos de manera experimental, de

estos datos se puede inferir que aparentemente el factor velocidad no tiene un

efecto en los valores obtenidos de poder espumante.

Puede notarse también que un valor de concentración bajo a cualquier tipo de

pH logra alcanzar un mayor volumen final alcanzado, también se puede

apreciar que las muestras con CMC tardan más en disminuir su cantidad de

espuma, pues cada 12 minutos se reduce aproximadamente a 10mL mientras

que muestras con Cellosize disminuyen la misma cantidad en la mitad del

tiempo. Esto se le puede atribuir al poder estabilizante de espuma que presenta

la Carboximetil celulosa.

6.4.1.1.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante entre factores para CMC

Gráfica 10. Resultados estadísticos de los datos de espumosidad a t =0min para CMC

90

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

1000800500 0.0100.0080.005

450

425

400

450

425

400

P h

Veloc

conc

468

Ph

500800

1000

Veloc

Interaction Plot for espumData Means

Gráfica 11. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de CMC

864

460

450

440

430

4201000800500

0.0100.0080.005

460

450

440

430

420

Ph

Mea

n

Veloc

conc

Main Effects Plot for espumData Means

Gráfica 12. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de CMC

91

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

8

350 6

400

450

0.00500.0075 4

0.0100

espum

Ph

conc

Surface Plot of espum vs Ph, conc

Gráfica 13. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de CMC

8

350 6

400

450

500750 4

1000

espum

Ph

Veloc

Surface Plot of espum vs Ph, Veloc

Gráfica 14. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de CMC

92

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

1000

350 750

400

450

0.00500.0075 500

0.0100

espum

Veloc

conc

Surface Plot of espum vs Veloc, conc

Gráfica 15. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de

CMC

Tabla 56. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC _______________________________________________________________________

Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 1714.8 1714.8 857.4 3.65 0.040 Vel 4048.1 4048.1 2024.1 8.61 0.001 Conc 12070.4 12070.4 6035.2 25.66 0.000

pH *Vel 2796.3 2796.3 699.1 2.97 0.037 pH *Conc 707.4 707.4 176.9 0.75 0.565

Vel*Conc 2274.1 2274.1 568.5 2.42 0.073 pH *Vel*Conc 4914.8 4914.8 614.4 2.61 0.029

Error 6350.0 6350.0 235.2 Total 34875.9

_______________________________________________________________________________

ANOVA es una herramienta del programa Minitab, que realiza un análisis

estadístico de los datos, para determinar la forma en que se correlacionan los

factores y la incidencia de cada uno de estos factores. Los datos son

reportados, se calcula la media, se ajustan por medio de la suma de mínimos

93

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

cuadrados y se calcula el valor del test F junto con la probabilidad (P) de

encontrar un F mayor al valor crítico.

Las gráficas residuales presentan tres condiciones necesarias para realizar el

tratamiento de datos de una manera confiable usando ANOVA, estos son:

normalidad, varianza constante e independencia de los datos. Como se observa

(Gráfica6) estas tres condiciones se cumplen para todos los datos analizados.

La tabla 56 muestra los datos para cada factor y sus posibles combinaciones.

Estas pruebas manejan un nivel de significancia de 0.05. La hipótesis nula (H0)

consiste en que ningún valor de un factor tiene influencia significativa sobre la

propiedad a evaluar (poder espumante o viscosidad) pues todos son

semejantes. La hipótesis alternativa (HA) consiste en que por lo menos uno de

los valores del factor tiene influencia significativa.

Según el análisis obtenido para espumosidad en CMC, se indica en la tabla 56

que los factores que afectan el poder espumante son el pH, la velocidad, la

concentración de viscosante, pH-Velocidad y la unión de los 3 factores. Sin

embargo debe tenerse en cuenta que el efecto del pH-velocidad aunque es

influyente, tiene un ligero efecto para los valores de pH de 8 (ver grafica 12 ).

De la gráfica 11 puede observarse que la mayor cantidad de espuma se

alcanza a un pH de 4, que los valores más altos de espuma se alcanzan con

una velocidad de 1000rpm, la gráfica 12 muestra que es bastante susceptible a

aumentos de concentración, esto se ve en las considerables disminuciones de

pendiente de las líneas.

6.4.1.2 Cellosize

De los resultados de las tablas 24 a 32 se puede decir que nuevamente el

efecto de la velocidad de agitación en la incorporación no parece desempeñar

94

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

un papel importante en las propiedades del producto pues hay similitud en los

datos obtenidos.

La concentración de viscosante en la formulación detergente es importante, se

ve un patrón muy notorio en Cellosize, es decir, se aprecian disminuciones de

poder espumante a mayor concentración de viscosante pero no es tan obvio,

además pareciera que tampoco el pH tuviera efectos en el detergente final. Esto

sería de esperarse ya que en ese sentido Cellosize es mucho más estable que

CMC pues puede manejar un intervalo más amplio de pH sin verse afectado.

6.4.1.2.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante entre factores para Cellosize

Gráfica 16. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para

Cellosize

95

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

1000800500 0.0100.0080.005

450

425

400

450

425

400

pH

Velocidad

Concentracion

468

pH

500800

1000

Velocidad

Interaction Plot for espumosidadData Means

Gráfica 17. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de

Cellosize

864

450

440

430

420

4101000800500

0.0100.0080.005

450

440

430

420

410

pH

Mea

n

Velocidad

Concentracion

Main Effects Plot for espumosidadData Means

Gráfica 18. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de

Cellosize

96

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

8

400

6

425

450

475

0.00500.0075 4

0.0100

espumosidad

pH

Concentracion

Surface Plot of espumosidad vs pH, Concentracion

Gráfica 19. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de

Cellosize

8

400

6

425

450

500

475

750 41000

espumosidad

pH

Velocidad

Surface Plot of espumosidad vs pH, Velocidad

Gráfica 20. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de Cellosize

97

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

1000

400

750

425

450

475

0.00500.0075 500

0.0100

espumosidad

Velocidad

Concentracion

Surface Plot of espumosidad vs Velocidad, Concentracion

Gráfica 21. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de

Cellosize

Tabla 57. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize

_______________________________________________________________________ Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 1337.0 1337.0 668.5 3.88 0.033 Vel 959.3 959.3 479.6 2.78 0.080 Conc 10692.6 10692.6 5346.3 31.04 0.000

pH *Vel 985.2 985.2 246.3 1.43 0.251 pH *Conc 685.2 685.2 171.3 0.99 0.427

Vel*Conc 2763.0 2763.0 690.7 4.01 0.011 pH *Vel*Conc 3225.9 3225.9 403.2 2.34 0.047

Error 4650.0 4650.0 172.2 Total 25298.1

_________________________________________________________________

De la tabla 57 y gráficas 16 a 21, se puede determinar que los factores

considerables en poder espumante para Cellosize son: PH, concentración,

velocidad-concentración, y los tres factores juntos.

98

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Puede verse la clara influencia de la concentración en el poder espumante de

Cellosize, pues la gráfica 17 muestra pendientes altas y negativas, así que del

factor concentración, la espumosidad es alterada de mayor forma por una

concentración de 1% de Cellosize, pues su relación es inversamente

proporcional prácticamente.

De las gráficas 17 y 18, se puede ver que la mayor cantidad de espuma se

produce a una velocidad de 1000rpm aunque no es un efecto relevante.

Finalmente puede determinarse que el pH tiene un ligero efecto en la

espumosidad de Cellosize, ya que en la gráfica 18 se observa que hay una

variación entre los niveles de este factor.

El efecto de los 3, aunque tiene importancia, no es un efecto tan relevante pues

además del valor reportado en la tabla (P=0.047) que indica que esta cercano

al valor al que se aprueba la hipótesis nula (0.05),en la gráfica de interacción no

logra verse muy clara la interacción entre estos.

6.4.2 Viscosidad

Después de adicionar los viscosantes al detergente base, se observa que el

comportamiento reológico del detergente no se vio afectado por ninguno de

estos, pues los datos de viscosidad obtenidos conservan el comportamiento de

fluido pseudo- plástico.

6.4.2.1 CMC

De las tablas 33 a la 41, se puede determinar que una mayor concentración de

CMC ocasiona un mayor valor de viscosidad, pues al dato de interés (30rpm) se

puede apreciar que se va incrementando en un valor de 1000 cPs

aproximadamente entre muestras.

99

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Nuevamente la velocidad no parece tener mayor influencia sobre los resultados

de caracterización del detergente, sin embargo este efecto se puede determinar

con mayor precisión en el tratamiento estadístico de datos.

Con respecto al pH, se puede ver una tendencia a aumentar la viscosidad

cuando se aumenta el pH, aunque es un comportamiento que es ligeramente

influyente pues los valores de viscosidades no difieren de manera tan

considerable.

6.4.2.1.1 Análisis ANOVA del efecto de la viscosidad entre factores para CMC

Gráfica 22. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para CMC

100

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 23. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC

Gráfica 24. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC

101

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 25. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de CMC

Gráfica 26. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de CMC

102

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 27. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de

CMC

Tabla 58. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC _______________________________________________________________________

Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 422061 422061 211031 15.93 0.000 Vel 64732 64732 32366 2.44 0.106 Conc 38242630 38242630 19121315 1443.20 0.000

pH *Vel 126218 126218 31555 2.38 0.076 pH *Conc 1767270 1767270 441818 33.35 0.000

Vel*Conc 442581 442581 110645 8.35 0.000 pH *Vel*Conc 1249517 1249517 156190 11.79 0.000

Error 357729 357729 13249 Total 42672740

_______________________________________________________________________________

Con respecto al análisis estadístico entre datos para determinar el efecto de los

factores en la viscosidad, se encuentra que para CMC los factores relevantes

son pH, concentración, pH-concentración, Velocidad-concentración y pH-

velocidad-concentración según lo obtenido en la tabla 58.

103

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

De las gráficas se puede decir que a mayor concentración de viscosante habrá

mayor viscosidad final, sin embargo es mucho más relevante el cambio que se

realiza de 0.5 a 0.8 de concentración que de 0.8 a 1, esto se ve por las

pendientes de la gráfica 23.

El efecto de la velocidad es prácticamente despreciable, pues un cambio de

velocidades no ocasiona pendientes, así que la viscosidad no se ve alterada por

la velocidad de agitación en la incorporación.

El pH, si tiene un efecto, puede notarse en el cambio de 6 a 8 donde se produce

un aumento en la viscosidad, Probablemente esto se debe a la susceptibilidad

de la CMC a los cambios de pH ya que aumenta las fuerzas iónicas de la

molécula haciendo que esta se pliegue y aumente su viscosidad.

6.4.2.2 Cellosize

Las tablas 42 a 50 reportan el comportamiento de las 27 pruebas de viscosidad

para Cellosize, estos datos demuestran que la velocidad no es un factor

relevante para alcanzar las condiciones finales del producto.

Al igual que la CMC, un aumento en la concentración de viscosante incrementa

la viscosidad en entre 800 y 900 cPs para Cellosize, aunque el valor a las

mismas condiciones entre viscosantes es menor para Cellosize.

Como se esperaba, el pH no parece afectar la viscosidad de Cellosize pues

este rango de pH de la experimentación lo logra manejar sin desestabilizarse ni

desactivarse

104

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

6.4.2.2.1 Análisis ANOVA del efecto de la viscosidad entre factores para Cellosize

Gráfica 28. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para

Cellosize

Gráfica 29. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de

Cellosize

105

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 30. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize

Gráfica 31. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de

Cellosize

106

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Gráfica 32. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de Cellosize

Gráfica 33. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de

Cellosize

107

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

Tabla 59. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para

Cellosize _______________________________________________________________________

Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 35200 35200 17600 3.38 0.049 Vel 71186 71186 35593 6.84 0.004 Conc 34687109 34687109 17343554 3331.93 0.000

pH *Vel 53943 53943 13486 2.59 0.059 pH *Conc 462698 462698 115674 22.22 0.000

Vel*Conc 314921 314921 78730 15.13 0.000 pH *Vel*Conc 556106 556106 69513 13.35 0.000

Error 140542 140542 5205 Total 36321705

_______________________________________________________________________________

La tabla 59 indica que los factores determinantes en el efecto de viscosidad

del detergente empleando Cellosize son velocidad, concentración, pH-

concentración, velocidad-concentración y pH-velocidad-concentración. Esto se

determina ya que son valores P son menores que el nivel de significancia, por

esto, se rechaza la hipótesis nula y con un solo valor de factor que sea

significativamente diferente, el factor se hace relevante.

La gráfica 29 presenta de forma clara que a medida que se aumenta el

viscosante en la formulación aumenta la viscosidad. La gráfica 30 demuestra

diferencias en la viscosidad de aproximadamente 1000 cPs entre las

concentraciones. Aunque la pendiente de concentración entre 0.5 a 0.8 es mal

alta que la de 0.8 a 1.

Se presenta también el efecto de la velocidad, en la gráfica 30 se puede

analizar que un cambio en velocidad de 500 a 800 ocasiona una disminución

en el valor de viscosidad mientras que de 800 a 1000 casi que se mantiene

constante. Esto se debe a que a bajas velocidades, el arreglo molecular de

Cellosize está aleatoriamente distribuido, lo cual ocasiona un alto grado de

desorden y consecuentemente alta viscosidad. Por el contrario, cuando hay

108

IQ-2008-1-20

IQ-2008-1-45

altas velocidades, las moléculas se orientan con respecto a la dirección del

flujo, por lo tanto disminuye la resistencia a este.

Por último, se puede apreciar que el pH no es un factor decisivo en la

viscosidad, pues no hay respuesta significativa si se aumenta o disminuye este

nivel.

6.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente

Gráfica 34. Resultados de estabilidad en la viscosidad del detergente

Gráfica 35. Resultados de estabilidad en el poder espumante del detergente

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Se puede ver de las gráficas 34 y 35 que son la representación de los

resultados de las tablas 52 a 54 que la estabilidad en general es buena, era de

esperarse que a temperatura ambiente no cambiaran sus propiedades de

viscosidad ni espumosidad, por eso solo se reporta lo de un día. Con respecto a

la estabilidad a 40°C se puede ver que la temperatura produce una caída en la

viscosidad de más de 1000 CPS, así como también en el poder espumante

ligeramente; después de 1 día se observa que para el Cellosize ambas

propiedades retornan a aproximadamente sus valores iniciales, más sin

embargo para la CMC los valores no se recuperan a pesar de que la muestra

vuelve a temperatura ambiente. Esto se le atribuye a que el efecto de la

temperatura en la CMC es irreversible a menos que sea una temperatura

bastante moderada (aproximadamente 10 ºC de aumento) que no degrade el

compuesto. Esto se debe a que la CMC es un polímero de alto peso molecular

y estructura desordenada, cuando se aumenta la temperatura, las moléculas

empiezan a orientarse y de esta forma fluye con más facilidad, en la medida en

que se orienta, es difícil devolverla a su estado original.

Finalmente la estabilidad a 4°C muestra que el poder espumante permanece

prácticamente constante para ambos viscosantes, mientras que la viscosidad si

aumenta en aproximadamente 1000cPs. Después de ser enfriada y sometida

nuevamente a condición ambiente se observa nuevamente que el Cellosize

recupera sus valores iniciales de viscosidad y espumosidad mientras que en la

CMC se ven afectados permanentemente con un aumento en la viscosidad de

aproximadamente 100 cPs.

6.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial

Se puede determinar, que las propiedades de viscosidad y espumosidad del

detergente comercial son similares a los de la experimentación.

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La espumosidad de las muestras con pH= 6 manejan la misma cantidad de

espuma, lo cual se puede atribuir a que ambos tienen la misma cantidad de

surfactante en la formulación (15%) (Ver tabla 9). Sin embargo, la espuma del

detergente comercial es menos estable, mientras que para el detergente de la

experimentación con CMC y Cellosize se observa una disminución

aproximadamente de 10 mL cada 6 y 12 minutos respectivamente, para el

comercial hay una disminución de aproximadamente 30 mL en el mismo tiempo.

Con respecto a la viscosidad del detergente experimental con CMC, la del

detergente comercial es menor aproximadamente 700 cPs. Así mismo, es

ligeramente menor a la del detergente experimental con Cellosize, con una

diferencia de aproximadamente 150 cPs.

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7. Conclusiones

El factor de la concentración de viscosante en la formulación detergente es

sin duda objeto de estudio para alcanzar las propiedades deseadas en un

detergente de uso comercial. Si se quiere un detergente viscoso y de buen

poder espumante, debe tenerse en cuenta la CMC en concentración alta,

mientras que para valores más bajos de estas propiedades se puede

trabajar una formulación con menor cantidad presente.

La herramienta ANOVA es de gran utilidad, pues hay correlaciones de

factores que no son observables con los datos reportados en el laboratorio,

además esto da un indicativo de la distribución de los datos, del error entre

ellos y la confiabilidad de las interpretaciones basadas en la distribución de

las variables de respuesta.

Existe el procedimiento que facilita la incorporación de CMC a una solución

detergente, que es aplicar agentes externos como calor y agitación. Sin

embargo, a escala industrial esto es un gasto energético, así que en el

momento de comparar beneficios, puede decirse que aunque Cellosize es

un poco más costoso que CMC, y aunque para alcanzar la misma

viscosidad de CMC requiere una cantidad un poco mayor, no requiere un

pre-tratamiento para el proceso de incorporación así que sería una

comparación de gasto de reactivos (Cellosize) contra un gasto de operación

(CMC).

Inicialmente se propuso obtener un protocolo par la incorporación de CMC

que facilite las condiciones de implementación, mediante este estudio se

determinaron las condiciones y se sugiere el protocolo que se presenta en la

figura 15.

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Figura 15. Protocolo de incorporación de CMC propuesto en la investigación

De la misma forma se sugiere una concentración adecuada de CMC en la

formulación detergente si se requiere un valor específico de viscosidad, la

tabla 60 muestra lo mencionado

Tabla 60. Cantidad de viscosante en la formulación para un valor de viscosidad requerido

Viscosidad

(30 rpm, cPs)Concentración de

viscosante (%)

4500-5000 1

3000-4000 0,8

2000-3000 0,5

El detergente obtenido fue exitoso, pues es un producto de buenas

propiedades, similares a las de un producto ya registrado, sin embargo

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como recomendación puede replantearse la formulación para el uso

específico que se quiera, además para la presentación como producto.

Puede predecirse que los detergentes son fluidos pseudo-plástico debido al

comportamiento que presentan ante la velocidad de cizallamiento a la que

se someten.

La viscosidad se ve influenciada por el tamaño de partícula del viscosante,

pues a menor tamaño, mayor área superficial y mayor estabilidad debido a

que hay mayor fuerza de interacción entre partículas.

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8. Recomendaciones

Se recomienda analizar que tan eficiente es la incorporación de CMC en un

detergente que no contenga hidróxido de sodio en su formulación.

Así mismo, Analizar la eficiencia de incorporación de CMC variando la

temperatura de incorporación al menos 30ºC.

Puede recomendarse también realizar un análisis de costos con el fin de

determinar el proceso industrial más económico entre las dos alternativas aquí

planteadas.

Finalmente, se recomienda realizar un análisis que permita inferir la influencia

del tiempo con velocidad de agitación de incorporación en la eficiencia de este.

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