INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL...complementarios para obtener la pintura automotriz. Por último se detallará el proceso de tratamiento de superficie de una carrocería para la aplicación

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA

E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

FORMULACIÓN, PROCESAMIENTO Y FACTIBILIDAD DE UNA PINTURA ACRÍLICA BASE AGUA PARA APLICACIÓN AUTOMOTRÍZ

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

P R E S E N T A

IVAN ANDRES MARTINEZ MARES

ASESOR: M. C. JOSE TRINIDAD AVILA SALAZAR

MÉXICO D.F., Marzo 2015

AGRADECIMIENTOS

A mi madre Araceli:

Por apoyarme siempre incondicionalmente para poder terminar éste trabajo, lo cual

implicó haber pasado toda mi vida esforzándose para ofrecerme lo mejor.

A mis abuelos Lidia y Roberto:

Les agradezco el haberme educado correctamente y el haberme formado con actitud y

carácter para desarrollar mi propio camino.

A mi tío Ricardo:

Te agradezco por tus consejos, enseñanzas y regaños, ya que sin ellos no hubiera

llegado a culminar ésta meta, la cual me fue inspirada por ti como ejemplo a seguir.

A mis tíos Javier y Roberto:

Gracias por apoyarme en toda mi carrera y en auxiliarme cuando más lo necesité.

Agradecimiento Especial:

Al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas.

Muchas Gracias.

INDICE.

Páginas

Nomenclatura. i

Simbología. ii

Resumen. iii

Introducción. 1

I. Generalidades. 3

I.1 Componentes Básicos de los Recubrimientos. 3

I.1.1 Pigmentos. 4

I.1.2 Vehículos. 10

I.1.2.1 Tipos de Polimerización. 11

I.1.2.2 Disolventes. 12

I.1.3 Agentes Emulsificantes. 13

I.1.4 Aditivos. 14

I.1.5 Cargas. 15

II. Formulación y Procesamiento para la Elaboración de Pinturas Acrílicas. 18

II.1 Proceso Base Agua. 18

II.1.1 Selección de Materias Primas. 18

II.1.2 Formulaciones y Procesos de Producción. 24

II.1.2.1 Elaboración de la Resina Acrílica. 24

II.1.2.2 Proceso de Molienda. 29

II.2 Proceso Base Solvente. 35

II.2.1 Selección de Materias Primas. 35

II.2.2 Formulaciones y Procesos de Producción. 37

II.2.2.1 Elaboración de la Resina Acrílica. 37

II.2.2.2 Proceso de Molienda. 43

II.3 Proceso de Cataforesis. 48

II.3.1 Preparación de la Superficie Metálica. 48

III. Diseño de Equipos de Proceso. 52

III.1 Balance Energético de la Torre de Destilación. 55

III.2 Diseño de Intercambiadores de Calor. 57

III.2.1 Condensador del Destilador (Acetona-Agua). 57

III.2.2 Quemador del Destilador (Tolueno-Acetona). 59

III.2.3 Condensador del Reactor (Sistema Acetona-Agua). 60

III.2.4 Condensador del Reactor (Sistema Agua-Agua). 62

III.3 Diseño de Recipientes. 63

III.3.1 Diseño del Recipiente para Molienda de la Base Solvente. 64

III.3.2 Diseño del Recipiente para Molienda de la Base Agua. 65

IV. Análisis Comparativo de los Costos de Producción. 67

IV.1 Estimación de Costos Fijos. 67

IV.2 Integración del Costo de las Materias Primas. 68

IV.3 Estimación de Costos de Producción. 70

IV.4 Determinación del Punto de Equilibrio. 74

IV.4.1 Pintura Base Solvente. 74

IV.4.2 Pintura Base Agua. 76

Análisis de Resultados. 78

Conclusiones. 83

Bibliografía. 85

Glosario. 87

Anexos. 89

INDICE DE FIGURAS.

Páginas

I.1 Pigmentos Opacos y Coloridos en Pinturas. 4

I.2 Colores Opacos e Intensos. 7

I.3 Recubrimiento de Porosidades y Protección contra Humedad en Paredes. 8

I.4 Pintura con un Poder Cubriente Deficiente. 8

I.5 Recubrimiento con Pequeños Aglomerados de Pigmento. 9

I.6 Brillo Reflejado sobre Superficie de Decorado. 9

I.7 Solubilidad del Pigmento de la Capa Inferior en el Recubrimiento Subsecuente.10

I.8 Monómero de Metil Metacrilato para Formulación de Resina. 11

I.9 Almacenamiento de Solventes. 13

I.10 Distribución de Cargas de los Emulsificantes. 14

I.11 Exposición de Automóviles al Sol. 14

I.12 Compuestos Corrosivos sobre Superficie. 16

I 13 Fotografía de Capas de Óxido sobre una Superficie Automotiva. 17

III.1 Reactor Intermitente. 52

III.2 Agitador de 3 Álabes Curveados. 53

III.3 Husillo de Platos Giratorios. 53

III.4 Molino de Arena. 54

III.5 Condensador del Reactor. 54

III.6 Rectificación Continua. 55

III.7 Datos del Problema. 56

IV.1 Distribución de Áreas de Trabajo. 72

D.1 Diámetro Externo, Espesor de Pared, Diámetro Interno y Área de Flujo de

los Tubos del Intercambiador. 108

D.2 Número de Pasos y Tubos del Intercambiador. 109

INDICE DE TABLAS.

Páginas

I.1 Pigmentos Inorgánicos en las Formulaciones de Pinturas. 5

I.2 Pigmentos Orgánicos en las Formulaciones de Pinturas. 7

I.3 Tipos de Polimerización y sus Componentes. 11

I.4 Ventajas y Desventajas en los Tipos de Polimerización. 12

I.5 Tipos de Solventes empleados en Pinturas. 12

II.1 Ventajas y Desventajas de las Técnicas de Emulsión. 18

II.2 Propiedades Físicas del Emulsificante. 20

II.3 Solubilidad de Sales de Persulfato en Agua (g/100g). 22

II.4 Adaptación de Valores en la Formulación. 24

II.5 Formulación General de la Resina Acrílica por Emulsión. 24

II.6 Fabricación de la Resina Acrílica (Reacción por Emulsión). 25

II.7 Formulación de una Pintura Acrílica Base Agua. 29

II.8 Proceso de Molienda de una Pintura Base Agua. 30

II.9 Formulación General de la Resina Acrílica por Solución. 37

II.10 Fabricación de la Resina Acrílica (Reacción por Solución). 37

II.11 Formulación de una Pintura Acrílica Base Solvente. 43

II.12 Proceso de Molienda de una Pintura Base Solvente. 43

III.1 Resultados del Balance de Energía en Rectificador. 56

III.2 Costo del Servicio de Energía Eléctrica en el Domo y Fondo. 57

III.3 Datos Acetona-Agua. 57

III.4 Resultados del Condensador Sistema Acetona-Agua. 58

III.5 Costo del Gasto Volumétrico del Agua de Enfriamiento. 59

III.6 Datos Tolueno-Vapor de Agua. 59

III.7 Resultados del Quemador del Destilador. 59

III.8 Costo de los Servicios en el Hervidor. 60

III.9 Datos Acetona-Agua. 60

III.10 Resultados del Condensador de la Base Solvente. 61

III.11 Datos Agua Fría-Agua Caliente. 62

III.12 Resultados del Condensador de la Base Agua. 62

III.13 Datos de Operación del Recipiente Base Solvente. 64

III.14 Resultados del Análisis. 64

III.15 Datos de Operación del Recipiente Base Agua. 65

IV.1 Inversión Fija. 67

IV.2 Pintura Acrílica Base Solvente. 68

IV.3 Pintura Acrílica Base Agua. 69

IV.4 Costos de Producción. 70

IV.5 Mano de Obra. 71

IV.6 Supervisión y Administración. 71

1 Costo de Servicios Auxiliares. 78

2 Costo de Solventes. 78

3 Cantidad de Solvente Recuperado. 78

4 Resultado del Diseño de Intercambiadores. 79

5 Resultados del Diseño de Recipientes. 81

6 Resultados del Análisis de Costos de Producción. 82

D.1 Datos Fisicoquímicos. 96

D.2 Comportamiento de la Acetona durante la Destilación. 96

D.3 Factores de los Fluidos. 104

D.4 Valores Aproximados de los Coeficientes Totales de Transferencia de Calor. 106

D.5 Datos de Tubería. 107

i

NOMENCLATURA.

v Calor Latente. TA Tanque de Alimentación.

$ Pesos Moneda Nacional. Ton. Tonelada.

Tmlv Temp. Media Logarítmica Verdadera. WS Suministro de Agua.

Viscosidad. XA Variable.

ATS Suministro de Aceite Térmico. YA Variable.

atm. Atmósferas.

b máx Valor relacionado con el Reflujo Mín.

bar. Bares.

BTU Unidad Térmica Británica.

°C Grados Centígrados.

cal. Calorías.

cp. Centipoises.

Cp Capacidad Calorífica.

cm2 Centímetros Cuadrados.

°F Grados Fahrenheit.

ft. Pies.

g. Gramos.

Gm. Gasto másico.

hr. Horas.

in. Pulgadas.

K Conductividad Térmica.

Kcal. Kilocalorías.

Kg. Kilogramos.

KU. Unidades Krebs.

Kw Kilowatts.

lb. Libras.

L.B. Límite de Batería.

Lt. Litros.

m3 Metros Cúbicos.

min. Minutos.

mm. Milímetros.

mmHg. Milímetros de Mercurio.

mol. Unidad molar.

MPa. Mega Pascales.

Mv Gasto Másico del Vapor.

NS Suministro de Nitrógeno.

Ap Presión Parcial.

psi. Libras por pulgada cuadrada.

Q Carga Térmica.

Rd Factor de Incrustación.

S Gravedad Específica.

SS Suministro de Vapor.

ii

SIMBOLOGÍA.

Símbolo Función Símbolo Función

Línea de Proceso

LE PE TE

Elemento Sensor de Nivel, Presión y

Temperatura (respectivamente).

Línea Neumática

LT PT TT

Transmisor de Nivel, Presión y


Señal

Eléctrica

LC PC TC

Controlador de Nivel, Presión y

temperatura (respectivamente).

Manguera LI PI TI

Indicador de Nivel, Presión y


Corriente de Suministro

TCA

Alarma y Controlador de Temperatura.

Válvula manual de

paso

SC

Control Proporcional.

Válvula de Control

M

Motor

Válvula de Alivio Tipo

Ángulo

Bomba para Fluidos

Válvula de paso

Condensador

Filtro

Molino

iii

RESUMEN.

El fundamento principal de éste proyecto es proponer una alternativa del proceso industrial

para la producción de pinturas acrílicas aplicadas al sector automotriz, generando una solución

para minimizar los gastos fijos y variables que presenta una empresa al emplear la

polimerización en emulsión como principal medio de elaboración del aglutinante.

Esta investigación se basa en parte en la experiencia que algunas empresas, dedicadas a la

producción de recubrimientos, generan al utilizar el método de síntesis en solución, el cual

resulta caro por su poca recuperación de solvente así como por el control estricto que se tiene

por sus condiciones de operación.

En el capítulo 1 se realizó un estudio acerca de las materias primas que involucran la

elaboración de una resina acrílica y de una pintura; esto con el fin de conocer sus

características y propiedades que le confieren al producto final así como el dar a conocer

conceptos relacionados con su funcionamiento.

El capítulo 2 hace referencia al desarrollo de una formulación para una resina acrílica la cuál

será elaborada en un reactor batch mediante polimerización por emulsión y por solución.

También se describirá el proceso de molienda que requiere dicha resina con otros materiales

complementarios para obtener la pintura automotriz. Por último se detallará el proceso de

tratamiento de superficie de una carrocería para la aplicación de la pintura obtenida.

El capítulo 3 muestra la secuencia de cálculos necesarios para el diseño óptimo de una torre

de destilación, está es requerida para la separación de los solventes que son empleados en la

reacción por solución y que requieran ser reutilizados para otros procesos. Dicha torre se

conformará de un condensador y un hervidor, los cuales también estarán contemplados, así

como el condensador empleado en el reactor. El diseño de estos equipos también influirá en el

costo final requerido para determinar la factibilidad de producción y mostrará un mejor

desarrollo operativo tomando en cuenta las condiciones que se requieren para el

procesamiento de los productos y subproductos.

En el capítulo 4 se demostrará la factibilidad del proceso base agua contra el proceso base

solvente, tomando en cuenta costos fijos y variables. Por último se dará a conocer el análisis

que de pie a las conclusiones de la investigación.

1

INTRODUCCIÓN.

El ser humano, desde su aparición, ha sido capaz de crear y desarrollar herramientas y

técnicas de gran trascendencia; tal es el origen de las pinturas, que como indicio se tiene el

descubrimiento de las pinturas rupestres, compuestas de tierras de distintos colores y

dispersas en vehículos naturales empleando agua como disolvente.

Posteriormente a medida que la población mundial crecía, se adoptaron las pinturas no solo

como medio de comunicación, sino como forma de decoración y protección de diversos objetos

como: medios de transporte, utensilios, instrumentos musicales, de defensa y viviendas. Todo

esto en una creciente variedad de pigmentos y resinas.

Las resinas se consideran como la columna vertebral o parte esencial de cualquier

recubrimiento. Cada resina es selecta para determinada labor en cualquier sustrato; lo que

hace creciente la necesidad de crear compuestos con propiedades y características específicas

que no se encuentran en un material convencional.

La copolimerización de distintas clases de monómeros ha sido una de las respuestas

inmediatas para formular compuestos capaces de resolver satisfactoriamente los problemas de

tratamiento de superficies. De la gran variedad de polímeros aplicados a las pinturas, los

acrílicos han demostrado teórica y experimentalmente ser compatibles con otras familias de

resinas y sus derivados, tal es la prueba de los compuestos acrílicos-estirenados, vinil-acrílicos

y epoxi-acrílicos, entre otros; lo que los hace atractivos para mejorar las propiedades físicas y

químicas de la película. (4)

Las innovaciones de las resinas acrílicas tienen su base en los desarrollos teóricos del alemán

el Doctor Otto Rohm en 1901, quien desarrollo la polimerización de acrilatos y metacrilatos, sin

embargo la producción de éstos adquirió alto significado en 1931 por Walter Bauer con su

procedimiento de preparación de ésteres acrílicos. En la segunda guerra mundial los acrilatos

fueron ampliamente usados en la industria textil empleando polímeros emulsionados de ésteres

acrílicos. Los buenos resultados de éste método de polimerización dieron lugar a que entre los

años 1950 y 1960 se desarrollara una emulsión adecuada para emplearse en la manufactura

de pinturas. (16)

La introducción de las emulsiones en la fabricación de recubrimientos de superficie fue dada

por los compuestos estireno-butadieno como sustitutos de las pinturas de aceite; seguidas de

las de acetato de vinilo y posteriormente las acrílicas por ser formadoras de películas con

buenas propiedades.

Los acrilatos se caracterizan por tener dos grupos reactivos colgantes, los cuales pueden

reaccionar fácilmente con otros materiales como el estireno o el vinilo para formar un

copolímero que dé una cadena altamente cruzada intencionada en proporcionar polímeros más

estables con mejor brillo y tersura, dureza, resistencia a los ácidos, álcalis y al agua, que dé

2

mejor color, entre otras. (4) Este copolímero será ideal cuando los radicales tengan la misma

preferencia de adición a cualquiera de los dos monómeros.

Para la obtención de resinas acrílicas se lleva a cabo la síntesis por adición y el método de

polimerización es como mejor le concierna al fabricante. (5) Éste actualmente ha preferido en su

mayoría la polimerización por solución, donde el disolvente usado como vehículo ofrece un

mayor control de la temperatura de procesamiento por su amplia capacidad de reflujo, también

es distinguido por la solubilidad del monómero y el polímero en el solvente, sin embargo, los

disolventes al evaporarse pueden generar emisiones que son fotoquímicamente reactivas

debido a ciertos porcentajes de los mismos en las formulaciones; convirtiéndose en fuentes

contaminantes críticas del aire.

La polimerización por emulsión es una alternativa que ofrece velocidades de polimerización

mayores que la misma polimerización en masa, produciendo polímeros de mediano a alto peso

molecular. El mayor inconveniente es el control del proceso, ya que es requerida una agitación

constante. El vehículo empleado es agua deionizada, donde una vez aplicada la película, ésta

se evaporara dejando al recubrimiento completamente adherido y sin dejar rastros de

contaminante en el aire.

La emulsión se considera como una alternativa inteligente pero posiblemente difícil de cotizar,

ya que se requieren de emulsificantes que permitan la compatibilidad de los monómeros con el

medio disolvente, así como reguladores de pH y coloides protectores, sólo como elementos

primarios.

Por otro lado, se trata de considerar el equipo de procesamiento adecuado, materias primas

que sean económica y técnicamente factibles, así como una capacidad de producción mayor

que demuestre teóricamente que una emulsión es capaz de abatir los costos de producción en

la elaboración de resinas acrílicas en comparación con una solución.

3

CAPÍTULO I. GENERALIDADES.

I.1 Componentes básicos de los Recubrimientos.

Los recubrimientos de superficie tienen dos funciones: proteger y decorar; el papel de un

recubrimiento en la protección contra la corrosión es el de aislar al metal base del medio

ambiente, puede proporcionar también un aislamiento eléctrico y resistencia al calor debido a

las altas temperaturas, siendo a su vez estable e inerte.

Las pinturas constituyen el método más adecuado para la protección de los materiales

empleados en la construcción y en la industria.

Dichos sistemas son dispersiones que están constituidas generalmente por sólidos finamente

articulados en un fluido denominado vehículo. Este último está basado en una sustancia

aglutinante que está dispersa en un solvente o mezcla de solventes a la cual se le incorporan

aditivos y plastificantes según sea el caso.

Las pinturas se pueden clasificar de varias maneras de acuerdo al siguiente diagrama: (14)

Arquitectónico

Uso Industrial

Automotriz

Base Agua

Medio Base Solvente

Clasificación Al Aire

General Secado Forzado

Al Horno

Brocha

Aerógrafo

Aplicación Inmersión

Electrodeposición

Básicamente, cualquier tipo de pintura o recubrimiento, se obtiene a partir de la mezcla de

cuatro componentes:

4

Pigmentos

Recubrimiento Cargas

Vehículo

Aditivos

A continuación se hará una descripción detallada de cada elemento para su conocimiento y

posterior consideración en una formulación.

I.1.1 Pigmentos.

Los pigmentos son reconocidos por ser partículas sólidas muy finas, pueden ser ópticamente

activos o no, deben ser insolubles en el vehículo además de no reaccionar químicamente con

los demás componentes del sistema (14). Se utilizan para proporcionar el color, poder cubriente,

así como apoyo de duración a los recubrimientos superficiales.

Figura I.1 Pigmentos opacos y coloridos en pinturas.

Existen diversas formas de poder clasificar a los pigmentos, sin embargo la forma más general

y quizá la menos compleja es por su naturaleza química:

- Pigmentos Inorgánicos.

Imparten en general, color, opacidad, resistencia al calor y a la acción de la intemperie. Tienen

un precio relativamente bajo en relación a otros componentes de la pintura.

5

El criterio más importante para la selección de un pigmento inorgánico lo constituye su índice

de refracción, lo cual nos lleva a una subclasificación de los mismos:

a) De alto índice de refracción.

Dan color a los recubrimientos, buen poder cubriente y dispersabilidad permitiendo la formación

de una mejor estructura molecular de la película y protegiéndola de la degradación por rayos

ultravioleta. Sus tonalidades son oscuras y por esa razón se consideran como pigmentos

sucios. (14)

Tabla I.1 Pigmentos inorgánicos en las formulaciones de pinturas. (14)

Color

Poder

Tintorial

Poder

Cubriente

Dispersabilidad

Sangrado

Resistencia

Química

Resistencia

al calor Composición

Blanco Rutílico

E E B NS B B 2TiO

Dióxido de titanio

Blanco de Zinc

B B B NS B B ZnO

Óxido de zinc

Verde Esmeralda

B B B NS B B OHOCr 232 2

Óxido de cromo dihidratado

Azul de Prusia o

Milori E B B NS E E 18187

NCFe

Ferrocianuro férrico

Amarillo Cromo

B B B NS M M 4),( OSCrPb

Cromato de plomo

Amarillo de Zinc

B B B NS B M 4ZnCrO

Cromato de zinc

Rojo óxido de fierro

E E B NS B B FeO

Óxido Ferroso

Negro de Humo

B E M NS B B

C Carbono y otros compuestos en mínima cantidad

Codificación: E= Excelente, B= Bueno, M=Malo, S=Sangran, NS= No Sangran

6

b) De bajo índice de refracción.

También se les conoce como ampliadores, extendedores, inertes, cargas o abaratadores.

Tienen un índice de refracción igual o ligeramente mayor que el vehículo en el cuál están

dispersados. En consecuencia, el pigmento es apenas visible cuando está dispersado y el

resultado óptico permite ver el sustrato. (14)

Se aplican en pinturas para fortalecer los sistemas de pigmentos y al mismo tiempo reducir su

costo.

Algunos pigmentos empleados:

Albayalde (Carbonato de Plomo).

Barita (Sulfato de Bario).

Carbonato de calcio.

Silicato de magnesio (Talco).

Mica.

Caolín.

-Pigmentos Orgánicos.

Existe una gran variedad de compuestos involucrados en las formulaciones de esta clase de

pigmentos. Son más numerosos que los empleados de tipo inorgánico.

Los pigmentos orgánicos con respecto a los inorgánicos presentan las siguientes

características:

Tienen partículas de menor tamaño, (10 veces menor).

Su índice de refracción es menor por lo que son utilizados para dar mayor intensidad de

color a las pinturas.

Tienen carácter hidrofóbico, esto les permite tener buena dispersabilidad.

Son menos resistentes al calor pero su resistencia es buena.

Buena resistencia a la luz, poder tintorial, y absorción de aceite.

Sus tonalidades son limpias, lo que los hacen materiales atractivos a pesar de sus

elevados costos.

Para mejorar su poder cubriente los pigmentos orgánicos son empleados en forma conjunta

con algunos inorgánicos.

Ejemplos de este tipo son:

Pigmentos Azo.

Pigmentos de Ftalocianina.

Pigmentos de Quinacridona.

Pigmentos de Dioxazina.

7

Tabla I.2 Pigmentos Orgánicos en las formulaciones de pinturas. (14)

Color Poder

Tintorial Poder

Cubriente Dispersabilidad Sangrado

Resistencia Química

Resistencia al Calor

Resistencia al ambiente

Naranja Dinitroanilina

E B B NS E E E

Amarillo Toluidina

B B E S M M M

Amarillo Bencidina

E B B S B E B

Rojo Andantrona

E B B S M M M

Rojo Naftaleno E M B NS M E M

Marrón Tio indigo

B B E NS E E E

Verde Ftalocianina

E M B NS E E E

Azul Ftalocianina

E M B NS E E E

Violeta Quinacridona

E B B NS E E E

Violeta Dioxacina

E B B NS E E E

Codificación: E= Excelente, B= Bueno, M=Malo, S=Sangran, NS= No Sangran

Para que una formulación cumpla con ciertos requerimientos o especificaciones por parte de

los pigmentos, se debe tener en cuenta el desempeño de los mismos y elegir el que mejor

convenga tomando en consideración los siguientes aspectos:

Poder Tintorial.

Se define como la capacidad de un pigmento para dar color a un recubrimiento.

Figura I.2 Colores opacos e intensos.

Poder Cubriente.

Capacidad de un pigmento para cubrir los sustratos. El poder cubriente depende en gran

medida del índice de refacción del pigmento (mientras mayor sea esta propiedad mayor es el

poder cubriente).

8

Figura I.3 Recubrimiento de porosidades y protección

contra humedad en paredes.

Figura I.4 Pintura con un poder cubriente deficiente.

Forma de las partículas.

Las partículas de la mayoría de los pigmentos son generalmente amorfas y monoclínicas,

algunos como los polvos metálicos, la mica machacada y talcos micáceos son de forma

laminar. Todas estas después del proceso de molienda adquieren formas semiesféricas.

Dispersabilidad.

La dispersabilidad afecta al poder cubriente, al brillo y a la tersura de la película. Los pigmentos

que contienen grandes porcentajes de partículas en la escala de 25 darán películas rugosas

y ásperas. Para producir películas libres de partículas gruesas se debe reducir el tamaño de los

pigmentos más gruesos cuando se dispersan en los vehículos.

Las partículas gruesas son generadas por fuerzas de cohesión que van desde floculados hasta

agregados casi cementados. El proceso de dispersión generalmente no disminuye mucho el

tamaño de las partículas individuales, en la mayoría de los casos lo que hacen es romper las

aglomeraciones de modo que cada partícula se moje totalmente con el vehículo y se separe de

las demás.

9

Figura I.5 Recubrimiento con pequeños aglomerados de pigmento.

Brillo.

Todos los pigmentos, aún aquellos que tienen buena textura y que se dispersan

adecuadamente, tienden a reducir el brillo de los vehículos a los que se incorporan. Se obtiene

un gran brillo cuando el vehículo humecta muy bien el pigmento.

Figura I.6 Brillo reflejado sobre superficie de decorado.

Sangrado.

Se le denomina al defecto de las pinturas en el cuál el pigmento de una película de color seca

migra o aflora en otro recubrimiento que es aplicado sobre esta.

10

Figura I.7 Solubilidad del pigmento de la capa inferior

en el recubrimiento subsecuente.

Estabilidad.

La estabilidad deberá ser establecida en 4 aspectos:

a) Al Calor.- Algunos pigmentos suelen alterarse con el calor durante el curado dando

lugar a oscurecimiento y decoloración, pérdida de brillo, pérdida del poder cubriente y

otros cambios que perjudican el aspecto del acabado.

b) A la Luz.- Los recubrimientos que contienen concentraciones elevadas de pigmentos

son generalmente más inalterables a la luz que los que contienen pequeñas

proporciones, ya que se decoloran rápidamente.

c) A Reactivos Químicos.- Los recubrimientos de superficies expuestos a los ácidos,

álcalis u otros reactivos químicos deben tener cierta resistencia a los mismos ya que

pueden llegar a decolorarse o destruirse.

d) A Agentes Atmosféricos.- Tanto el pigmento como el vehículo deben tener una elevada

resistencia para evitar la formación de grietas, resquebrajamientos y formación de

escamas.

Una vez conocidas las características más importantes de los pigmentos para la consideración

de uno o varios en una posterior formulación, éstos son incorporados al vehículo de interés

para comenzar la formación de un sistema de recubrimiento.

I.1.2 Vehículos.

Los aglutinantes son aceites, resinas y plastificantes, que forman la película protectora y

determinan las propiedades físicas de la pintura. Además, tienen como función proporcionar la

adherencia del recubrimiento al sustrato y englobar al pigmento en el seno del mismo. También

se denominan formadores de película, filmógenos ligantes y vehículos sólidos.

11

Figura I.8 Monómero de metil metacrilato para

formulación de resina.

Para la producción de un polímero, es necesario analizar el tipo de proceso a llevar a cabo

pues existen varios que ofrecen ventajas prácticas en las aplicaciones industriales.

En este caso, se busca la polimerización más efectiva para la producción de resinas que sirvan

de ligantes para las cargas, pigmentos y aditivos que han de conformar dicho sistema.

I.1.2.1 Tipos de Polimerización.

Tabla I.3 Tipos de Polimerización y sus componentes. (5)

Bulk Solución Suspensión Emulsión

Fase Continua.

Monómero Solvente Agua Agua

Fase Dispersa.

Monómero Monómero Monómero Monómero

Iniciadores. Orgánico Orgánico Inorgánico/Orgánico Inorgánico

Aditivos. -------- ------- ------

Emulsificantes cationicos,

anionicos, no ionicos

Regulador de Peso Molecular.

------- Agente de

transferencia de cadena

Agente de transferencia de

cadena

Agente de transferencia de cadena

Regulador de pH.

------- ------- Ácido/Alcalino Ácido/Alcalino

Coloide Protector.

------- ------- Gelatina Celulosicos,

PVOH, Dextrinas.

12

Tabla I.4 Ventajas y desventajas en los tipos de polimerización. (1)

Ventajas Desventajas

Polimerización en Masa. -Se hace reaccionar el monómero puro. -Mínima contaminación. -Obtención de polímeros de alta pureza.

-Proceso muy exotérmico. -El monómero puede solidificarse si a partir de cierto ( ) la resina es

insoluble en el monómero.

Polimerización en Solución.

-Hay un amplio rango de resinas solubles en solventes orgánicos.

-La recuperación del disolvente es limitada por lo que el procedimiento resulta caro.

Polimerización en Suspensión.

-Fácil control de la temperatura. -Se obtienen polímeros de mejor pureza que los de emulsión.

-Requiere lavado, secado y posiblemente compactado del producto.

Polimerización en Emulsión.

-Mayor rapidez de polimerización que lo métodos anteriores. -Fácil distribución de la polimerización.

-Se obtienen productos de alto peso molecular.

La polimerización por emulsión es el método que se tiene por objetivo comparar y demostrar su

factibilidad respecto a un proceso por solución cuyo empleo en la industria es muy común no

sólo por sus ventajas sino por su mejora consecutiva tanto en materiales como en equipos de

proceso, es por ello que estos dos métodos serán seleccionados haciendo un análisis de sus

materias primas y procesamiento.

I.1.2.2 Disolventes.

De acuerdo a su manufactura las pinturas se clasifican de la siguiente manera:

Tabla I.5 Tipos de solventes empleados en pinturas.

Dispersores base agua. Dispersores base solvente.

Agua De ionizada Tolueno

Alcoholes Metil-etilcetona

Xilol

Acetona

Aromina

De acuerdo a la capacidad de disolución de cada solvente es como adquieren importancia en

una formulación.

Existen tres tipos de disolventes y se clasifican en: activos, cosolventes y diluyentes, con

respecto a un filmógeno.

Solventes activos.- Son aquellos que disuelven por sí solos al filmógeno.

13

Cosolventes.- Éstos actúan como solventes activos en presencia de un solvente activo,

si éste último se evapora el cosolvente actúa como diluyente.

Diluyente.- Los solventes de éste tipo actúan como carga dentro del sistema de

disolventes y sirven para aumentar el volumen del sistema disolvente, abatir costos,

contenido de sólidos y la viscosidad.

Figura I.9 Almacenamiento de solventes.

I.1.3 Agentes Emulsificantes.

Los compuestos emulsificantes sólo se emplean para las emulsiones, no se consideran aditivos

ya que son esenciales para llevar a cabo dichas reacciones. Disminuyen la tensión interfacial

entre dos fases generando pequeñas capas denominadas micelas donde el monómero-

polímero es capaz de formar un coloide.

Los surfactantes o tenso-activos son generalmente compuestos orgánicos que son ambifílicos,

es decir, contienen grupos hidrofílicos e hidrofóbicos.

Las funciones de los emulsificantes son las siguientes:

Estabilizar las gotas de monómero y monómero-polímero de la emulsión.

Ayudar a solubilizar a los monómeros dentro de las micelas.

Poder actuar como agentes de transferencia de cadena.

Los surfactantes empleados en sistemas de pinturas por lo general son iónicos, es decir, su

naturaleza pude ser catiónica o aniónica. En algunos casos se presentan compuestos no-

iónicos y anfóteros. (17)

14

Figura I.10 Distribución de cargas de los emulsificantes.

I.1.4 Aditivos.

Otro de los elementos principales en la conformación de un recubrimiento son los aditivos, los

cuales son materiales inorgánicos en su gran mayoría; son incorporados a la pintura antes y

durante su preparación con el fin de mejorar sus propiedades, mejorar su presentación,

aumentar su resistencia a medios externos y facilitar su procesamiento.

Su clasificación es muy extensa, sin embargo sólo se describirán los de mayor presencia en

pinturas:

Estabilizadores de luz Ultravioleta.

La degradación se genera debido a que un grupo químico de la molécula del aglutinante

absorbe la luz ultravioleta.

La luz UV rompe la cadena molecular formando radicales libres que reaccionan con el oxígeno.

Los aditivos interrumpen la secuencia de reacción, ya sea absorbiendo ésta o reprimiendo el

estado excitado de la molécula. Ejemplos de éstos compuestos son: Ésteres de Acrílico,

Benzofenones, Formamidina, Negro de Humo, Dióxido de Titanio.

Figura I.11 Exposición de automóviles al sol.

15

Antiespumantes.

Su función consiste en eliminar la generación de espuma después de la etapa de dispersión,

con el fin de anular el exceso de emulsificante y dispersante.

La presencia de espuma en el recubrimiento ocasiona defectos, tales como el “piquete de

aguja”, que consiste en pequeñas perforaciones que van desde la superficie del recubrimiento

hasta el substrato.

Coloides Protectores.

Se emplean con el objeto de aumentar la viscosidad del recubrimiento.

Pueden emplearse como agentes estabilizadores en conjunto con los emulsificantes. No

forman micelas.

Ejemplo son: Alcohol Polivinílico, poli vinil pirrolidona.

Reguladores de pH.

Tiene la función de mantener el pH del recubrimiento. Los agentes de superficie,

particularmente aniónicos, tienen rangos de pH en los que son más efectivos.

Algunos empleados son: carboximetil celulosa, caseína y poliacrilatos.

I.1.5 Cargas.

Por último las cargas son productos generalmente inorgánicos que se utilizan para aportar

materia sólida a la pintura incrementando propiedades mecánicas, son generalmente de

estructura esférica y reducen costos. Las características dependen del uso al que van

destinadas: absorción de aceite, índice de refacción, poder de opacidad, blancura y tamaño de

partícula.

A continuación se describen las cargas que son más comunes de encontrar en un sistema de

pintura:

Carbonato de Calcio.

El carbonato de calcio ayuda a reducir la cantidad de un pigmento caro, principalmente dióxido

de titanio. Da una deseada propiedad reológica a la capa de pintura, manteniendo la

dispersión.

16

Talco.

Material de silicato de magnesio hidratado. Su adición incrementa la tenacidad y módulo de

flexión, reduce la resistencia a la tensión, elongación y la resistencia al impacto. El talco no

conduce la electricidad lo que lo hace atractivo para productos que requieren aislamiento

eléctrico, es estable al calor a muy altas temperaturas y es inerte por lo que es empleado en

muchas pinturas.

Inhibidores de Corrosión.

Como se ha mencionado, algunos pigmentos actúan como carga asistiendo al recubrimiento de

diferentes maneras, en este caso ciertos pigmentos actuarán como ánodos de sacrificio para

inhibir la corrosión del sustrato.

Durante el proceso corrosivo, las diferencias de potencial eléctrico originadas por la

composición de la superficie y las características del medio ambiente, producen reacciones

anódicas y catódicas que causan la destrucción del metal promoviendo la formación de

hidróxido ferroso como primera capa corrosiva, luego esta se oxida para constituir una capa

intermedia de óxido ferroso-férrico hidratado de color negro y por último se compone una

tercera capa de óxido de férrico hidratado de color naranja-rojo oscuro.

Algunas cargas empleadas para evitar estos efectos son:

- Rojo de plomo u óxido plúmbico (Minio).

- Azul de óxido (subóxido).

- Cromato de zinc.

- Silicocromato básico de plomo.

- Zinc en polvo.

- Plúmbito cálcico.

- Fosfato de cinc.

Fe2O 3 . H2O

Fe2O3Fe2O3

FeOH2FeO.H2OFeOH2

Figura I.12 Compuestos Corrosivos sobre superficie.

17

Figura I.13 Fotografía de Capas de Óxido sobre

una superficie automotiva.

La incorporación de cada uno de estos elementos desde los pigmentos hasta las cargas

depende de las características de la pintura o hacia qué aspecto vaya enfocada. Los

parámetros se describen en un proceso de laboratorio donde la formulación es llevada a cabo a

partir de prueba y error, sustitución de materiales por otros más efectivos y posteriormente se

calculan las cantidades pertinentes de cada materia prima.

A continuación se describirán dos formulaciones para la elaboración de una pintura

anticorrosiva y su procesamiento tomando en cuenta el desempeño que puede proporcionar

cada materia prima.

18

CAPÍTULO II. FORMULACIÓN Y PROCESAMIENTO PARA LA ELABORACIÓN DE

PINTURAS ACRÍLICAS.

La manufactura de la pintura acrílica será descrita por dos vías de producción: Base Agua y

Base Solvente.

La elaboración del aglutinante es el primer paso para la elaboración de cualquier recubrimiento,

siendo este el medio donde se engloba los pigmentos, aditivos y cargas.

II.1 Proceso Base Agua.

El proceso de polimerización por emulsión es un método usado ampliamente para la

producción de polímeros acrílicos. Existen dos técnicas comunes para llevar a cabo la

polimerización por emulsión, son designadas como “el método de reflujo” y “el método redox”.

Tabla II.1 Ventajas y Desventajas de las técnicas de emulsión.

Ventajas Desventajas

Método Reflujo. -La alimentación de los componentes es puede ser general o parcial.

-Elevación de la temperatura para iniciar polimerización. -Gasto de aceite térmico. -El tiempo de reacción es más lento.

Método REDOX. -La alimentación de los componentes debe ser parcial. -No requiere aplicación de calor para iniciar la polimerización. -Puede llegar a alcanzar temperaturas muy altas en valores máximos de reacción.

-Gasto de gas inerte. -Empleo de agentes de oxido-reducción. -El proceso de reacción es considerablemente rápido.

El método redox requiere el empleo de agentes de óxido-reducción, sin embargo es más

eficiente para producir resina en menor tiempo. Los gastos económicos por el gas y los

agentes de reacción pueden llegar a solventarse a corto plazo, razón por la que se decide

emplear dicha técnica.

II.1.1 Selección de Materias Primas.

Para la formulación de las pinturas acrílicas base agua y base solvente es necesario emplear

distintos componentes así como diferentes cantidades de los mismos. Los siguientes

materiales fueron seleccionados para la producción de una resina acrílica. (16)

19

Solventes.

-Agua Desionizada.

Es requerida como medio de dispersión y de transferencia de calor. La proporción de

monómero-agua debe ser lo bastante baja para lograr la disipación del calor. Este elemento

también es un solvente para los surfactantes e iniciadores. El agua deionizada debido a que el

contenido de sal es extremadamente bajo, permite el máximo control de la composición de la

emulsión.

-Ácido Fórmico (HCOOH)

Este compuesto permite una buena aplicación por electrodeposición catódica al tener buena

conductividad eléctrica, también mejora la solubilidad de la resina acrílica.

-Etilenglicol Butil Éter )( 2294 OHCHOCHHC

Es un glicol éter de rápido evaporado con excelente balance hidrofílico e hidrofóbico.

Peso Molecular 118.2g/mol

Temperatura de Ebullición 171°C

Flash Point 67°C

Densidad Líquida @20°C 0.902g/cm3

Viscosidad @20°C 3.3cp

Solubilidad en Agua g/lt o %@25°C 100%

-Etilenglicol Hexil Éter )( 22136 OHCHOCHHC

Solubiliza por excelencia a la resina, muy buena solubilidad en agua, ayuda a la formación

uniforme de la película durante el curado evitando la aparición de poros y burbujas de aire.



Flash Point 91.5°C

Densidad líquida @20°C 0.89g/cm3


Solubilidad en Agua g/lt o % @25°C 9.46g/lt

-Etilenglicol Propil Éter )( 2273 OHCHOCHHC

Solvente de rápido evaporado, alta solubilidad en agua, confiere reducción de viscosidad y

excelente acoplamiento con la resina, reduce la temperatura de formación de película.

20



Flash Point 57°C

Densidad del Líquido @20°C 0.912g/cm3


Solubilidad en Agua g/lt o % @25°C 100%

-n-Butanol )( 104 OHC

Tiene como función estabilizar la amina de la resina catiónica ya que esta se altera a cambios

severos de temperatura y pH.

Emulsificantes.

-Alquil aril éter sulfonato de sodio.

Es un surfactante aniónico, tiene concentraciones bajas de micelas y es muy eficiente para

reducir la tensión superficial e interfacial. Además actúa como antiespumante y coloide

protector previniendo la coagulación de las gotas de polímero.

Tabla II.2 Propiedades Físicas del Emulsificante.

Surfactante Alquilarilpolieter sulfonato de sodio

Sólidos (%) 28

Densidad (g/cm3) 1.067

Viscosidad @25°C (Cp) 7000

Punto de Fusión (°C) -4°C

Flash Point (°C) >149

Concentración Crítica Micelar (%) 0.023

Tensión Superficial 0.01% (dinas/cm) 31

CH3 SO3NaO

Estructura II.1 Nonil Bencen Éter Sulfonato de Sodio.

Medios Reaccionantes.

-Monómero Metil Metacrilato.

Esta resina le confiere a la película alta dureza, buena resistencia al agua, a los álcalis y ácidos

de carácter fuerte, excelente color y resistencia a la intemperie.

21


Densidad @20°C 0.940g/cm3

Solubilidad @25°C en agua 15g/Lt


Calor de polimerización 57.78KJ/mol

Calor específico 1884J/Kg K

-Monómero 2 Etil Hexil Acrilato.

Este compuesto proporciona flexibilidad a la película, evita el pelado o cuarteadura por falta de

elongación.



Solubilidad @25°C en agua 7g/Lt


Calor de Polimerización 60.293KJ/mol


-Monómero Hidroxietil Metacrilato.

Promueve una mejor adhesión entre capas más que otro tipo de monómeros afines.

Peso Molecular 130g/mol


Solubilidad en agua @25°C 100%

Viscosidad@25°C 893cp

Calor de Polimerización 49.825 KJ/mol

-Monómero Ácido Acrílico.

Proporciona mejor compatibilidad al sistema, resistencia a la grasa y a solventes y ejerce muy

buena durabilidad al exterior.



Solubilidad en agua @25°C 100%


Calor de Polimerización 77.50KJ/mol


-Di etilamina )( 114 NHC

Usada como medio de reacción en la elaboración de recubrimientos, permite reaccionar a la

resina con una cantidad determinada de ácido fórmico para proporcionarle mayor solubilidad y

poder estabilizarla.

22

Este ácido representa la carga catiónica de la resina:

O

CH2

CH3

C

C O CH3

+

CH3

CH2

CH2

CH3

Resina Acrílica Amina Resina Poliamino

N

H

CH3

CH3

CH2 C

CH3

O

OH

N

CH2

CH3CH2 C

Estructura II.2 Generación de la resina poliamino.

+H+

Resina Poliamino Ácido Dispersión Acuosa

CH3

CH3

CH2 C

CH3

O

OH

N

CH2

CH3CH2 C

CH3

CH3

CH2

C

CH3

O

OH

N

CH2

CH3CH2 C

H

Estructura II.3 Proceso de solubilidad en agua.

Este compuesto también actúa como inhibidor de crecimiento de cadena así como inhibidor de

corrosión.

Iniciador.

-Persulfato de Amonio.

Catalizador muy eficiente para promover la polimerización por emulsión acrílica por su gran

solubilidad y su bajo peso molecular en comparación con otros como el persulfato de potasio.

Las rápidas velocidades de reacción y alto peso molecular se deben a la solubilidad en agua

que presenta el iniciador, teniendo la facilidad de generar radicales libres e incrementando el

tamaño de cadena molecular.

Tabla II.3 Solubilidad de Sales de Persulfato en Agua (g/100g).

0°C 20°C 40°C Peso Molecular

Persulfato de Amonio

58.2 -------- Muy soluble 228

23

Agentes de Óxido-Reducción.

-Sulfoxilato Formaldehido de Sodio/Sulfato Ferroso.

La función de ambos es acelerar la disociación del persulfato actuando como agente reductor y

sal activadora respectivamente.

La pre-disociación en agua del persulfato de amonio genera aniones persulfato que interactúan

como agente reductor en presencia del ion ferroso de la solución activadora, permitiendo que

éste último se convierta en ión férrico. También ésta reacción reduce la energía de activación

total del iniciador. 32

2

2

4

22

82

FeSOSOFeOS

Otra cantidad de iones persulfato reaccionan con el sulfoxilato, esta vez el iniciador se

empleará como agente oxidante, lo que generará un producto que reducirá el periodo de

iniciación de la reacción.

OHSOHCHOSOOHHSOOCHOS 22

4

2

3

11

22

2

82 )(2

Por último el ión férrico reacciona como agente reductor frente al sulfoxilato quedando de

nuevo como ferroso para volver a reaccionar con los remanentes de persulfato.

OHSOHCHOSOFeOHSOHOCHFe 22

4

2

2

211

22

3 )(

Pigmentos.

-Negro de Humo/Dióxido de Titanio.

El negro de humo y dióxido de titanio proporcionarán un recubrimiento con alto poder cubriente,

buena resistencia al calor, buena resistencia a los ácidos, álcalis y agua y un buen brillo

además de un color gris atractivo.

Cargas.

-Carbonato de Calcio (Calcita).

Ayudará a reducir la cantidad y el costo del pigmento blanco.

-Talco Malla 325.

Proporcionará mayor estabilidad dimensional a la película y mejorará propiedades mecánicas.

24

-Plumbito de Calcio.

Evitará la corrosión de las superficies ferrosas actuando como ánodo de sacrificio.

-Cromato de Zinc.

Otorga una eficiente resistencia a la corrosión, proveyendo un efecto de reticulación que

reducirá la oxidación de las superficies.

II.1.2 Formulaciones y Procesos de Producción.

II.1.2.1 Elaboración de la Resina Acrílica.

Se planea la producción de 1500Kg de resina acrílica para ambas bases. Considerando que el

reactor tiene una eficiencia del 80% de conversión, la cantidad alimentada de monómero será

calculada para obtener el polímero necesario para la fase de molienda.

Las cantidades requeridas de monómeros para ambas bases fueron calculadas a partir de una

formulación a nivel industrial previamente publicada para su adaptación a los requerimientos de

proceso descritos en este trabajo. (16)

Tabla II.4 Adaptación de Valores en la Formulación.

Monómeros Cantidades de fórmula original. (Kg)

Cantidades relativas para 1450Kg. (Kg)

Metil Metacrilato. 1700 845.835

2 Etil Hexil Acrilato. 1517.85 755.206

Hidroxietil Metacrilato. 376.43 187.293

Ácido Acrílico. 48.57 24.166

TOTAL 3642.85 1812.5

*Las cantidades de los demás elementos corresponden proporcionalmente a los acrilatos

alimentados.

Tabla II.5 Formulación General de la Resina Acrílica por Emulsión.

Clave Materia Prima Cantidad (Kg/lote)

D1 Agua Desionizada 2507.283

M1 Metil Metacrilato 845.835

M2 2 Etil Hexil Acrilato 755.206

M3 Hidroxietil Metacrilato 187.293

M4 Ácido Acrílico Glacial 24.166

A1 Sulfato Ferroso 157.175

I1 Persulfato de Amonio 46.272

A2 Sulfoxilato Formaldehido de Sodio

44.573

D2 Ácido Fórmico 18.907

D3 Di etilamina 188.502

E1 Alquil aril éter sulfonato de sodio 191.06

25

Posteriormente se lleva a cabo el proceso de fabricación de la resina previamente establecida.

Tabla II.6 Fabricación de la Resina Acrílica (Reacción por Emulsión).

Proceso Instrucción Nota

1.- Inspección. 2.- Limpieza. 3.- Carga.

*Checar que tuberías, válvulas, medidores y equipos estén en óptimas condiciones para operar. *Verificar que el interior del reactor y tanques receptores estén libres de residuos de resinas anteriores. *Integrar al TA1 las siguientes materias primas en el orden expuesto: -Agua desionizada. -Surfactante. Comenzar a mezclar. -Monómeros acrílicos. *Adicionar al TA2 el iniciador y cargar al TA3 la solución activadora de sulfato ferroso. *Cargar al Reactor Batch las cantidades remanentes de materias primas en el siguiente orden: -Agua desionizada. -Surfactante. Comenzar a mezclar. -Monómeros acrílicos. -Dietilamina. -Ácido fórmico.

-Evitar herrumbre, polvo y calibrar medidores. -Realizar prueba de burbujeo en tuberías. -En caso de no estar limpio, realizar el lavado con los solventes correspondientes. -Mezclar hasta que el tenso activo se haya disuelto por completo. -La incorporación parcial de las materias permitirá controlar la reacción exotérmica. -Tiempo estimado de carga a tanques 1,2 y 3: 1 hr. -La mezcla debe estar a temperatura ambiente antes de la adición de los monómeros acrílicos. -Tiempo estimado de carga al reactor: 30min.

26

Continuación Tabla II.6

4.- Inertización. 5.- Reacción. 6.- Evaporación. 7.- Enfriamiento. 8.- Filtración.

*Abrir el paso de gas nitrógeno al reactor y agitar para expulsar el aire del sistema. *Adicionar la carga de solución ferrosa y el iniciador al reactor. *A la par, cargar el agente reductor al TA3 e inmediatamente hacerlo pasar al reactor. *Por último alimentar de forma regular el monómero pre-emulsificado. *Se elevara temperatura del sistema para separar el agua desionizada. *La CCM disminuye hasta que la emulsión se rompe. *Agitar constantemente la mezcla y al mismo tiempo circular agua fría en la chaqueta del reactor. *La resina pasa por un filtro de acero al carbón donde se retienen remanentes y restos de iniciador. *La resina finalmente es envasada a un tanque de almacenamiento.

-Tiempo estimado de propagación del gas: 30min. -Mantener la mezcla en agitación. . -Tiempo estimado de adición al reactor: 1.5hrs. -Periodo de elevación de temperatura señalando propagación y estabilización: 1.5hrs. -El aumento de temperatura completará la polimerización de trazas, al mismo tiempo se dejará de recircular. -Tiempo estimado de evaporación: 50min. -Tiempo estimado de enfriamiento: 45min.

Fin de Proceso. Tiempo Total: 7hrs, 10min.

Para una apreciación gráfica general y detallada del proceso de elaboración de resina por

emulsión se presentan sus diagramas de bloques y de instrumentación.

27

Tanque de Alimentación 1

Agua Desionizada

Surfactante

Monómeros

Acrílicos

T.A

T.A

T.A

Mezclar

Iniciador

T.ATanque de Alimentación 2

FeSO4

T.A

Tanque de Alimentación 3

Reactor Batch

Dietilamina

Ácido Formico

Inertizar

Agente Reductor

T.A

T.A

T.A

Condensador

Tanque de Almacenado

Agua de

Enfriamiento

L.B.

Torre de enfriamiento

Agua

Desionizada

Agua de

chaqueta

L.B.

Aceite Térmico

L.B.

Filtración

Tanque de

Almacenamiento de

Resina

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Diagrama II.1 Diagrama de Bloques del Proceso de Reacción por Emulsión IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

28

M

SC

PEPTPC

TETTTCA

LELTLC

TE

TT

TC

LELTLC

LELTLC

NS WS1Preemulsión Iniciador

Agentes Reductores WS2

ATS

Tanque de

Almacenamiento de

Agua

Tanque de

Almacenamiento de

Resina

TA1 TA2 TA3


Diagrama II.2 Proceso de Reacción en Emulsión de Resina Acrílica IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

29

II.1.2.2 Proceso de Molienda.

Una vez obtenida la resina, ésta se surte como materia prima para el proceso de molienda

donde se incorporará con los pigmentos y cargas requeridos en una nueva fórmula para la

producción del recubrimiento.

La humidificación o dispersión es un paso previo a la molienda de gran importancia debido al

rompimiento o separación de partículas de pigmento muy grandes. Esto ayudará a que el negro

de humo y el dióxido de titanio puedan dispersarse por completo en el vehículo y adquieran

una buena humectación que proporcione un gran brillo al acabado.

Cada formulación depende de requerimientos previamente establecidos, para éste caso se

establece una proporción que permita tener un porcentaje medio-alto de sólidos y que al

momento de aplicarse permita la distribución uniforme de cada agregado en el aglutinante:

60%de resina, 24.57% de solventes, 6.97% de pigmentos y 8.47% de cargas.

Tabla II.7 Formulación de una Pintura Acrílica Base Agua.


R1 Resina Amino-Acrílica 1,450

R2 Copolímero de Estireno 50

D1 Agua Desionizada 403.716

D2 n-Butanol 58.076

D3 Etilenglicol Butil Éter 95.768

D4 Etilenglicol Hexil Éter 29.04

D5 Etilenglicol Propil Éter 19.36

D6 Ácido Fórmico 8.46

P1 Negro de Humo 12.64

P2 Dióxido de Titanio 161.62

C1 Carbonato de Calcio 29.24

C2 Talco Malla 325 136.875

C3 Plumbito de Calcio 9.0

C4 Cromato de Zinc 36.625

Características del Producto.

No Volátiles: 75.43%

Relación de Resinas: R1:R2, 29:1

Relación Pigmento-Carga: TiO2:CaCO3, 5.5:1

Cromato de Calcio: 2.44 partes/100 de resina

Negro de Humo: 7.45%/TiO2

Butil Cellosolve: 6.4 partes/100 de resina

Hexil Cellosolve: 1.94 partes/100 de resina

Propil Cellosolve: 1.3 partes/100 de resina

A continuación es descrito el proceso de molienda, señalando la carga, humidificación,

trituración y envasado.

30

Tabla II.8 Proceso de Molienda de una Pintura Base Agua.


1.- Inspección. 2.- Limpieza. 3.- Carga.

*Verificar condición de válvulas, tuberías, tanques, molinos, agitador y filtros. *Cerciorarse de que la instrumentación necesaria esté calibrada. *Asegurarse que tanques, ollas y molinos estén aterrizados. *Verificar la existencia de flujo de agua de enfriamiento, así como flujo de aire para funcionamiento de bombas. Checar limpieza del molino ollas y tanque, así como bombas de alimentación y salida de material. *Revisar que las materias primas surtidas sean las requeridas. *Inmediatamente comenzar a Inertizar la atmósfera del tanque de mezclado con gas nitrógeno. *Cargar las siguientes materias primas al tanque mezclador en el siguiente orden: -Resina Amino-Acrílica -Agua desionizada -Butil Éter -Etilenglicol Hexil Éter -Propil Éter

-Evitar presencia de polvo, herrumbre y residuos de otras pinturas. -Evitar fuegos relámpago generados por la estática. -En caso de no estar limpio(s), realizar el lavado con los solventes correspondientes. -Verificar con la hoja de proceso su código, cantidad, tipo y número de lote. -En caso de que el envase y/o empaque de las materias no contengan el peso neto, deberá pesarse y anotarse su medida. -A partir de la adición del agua, empezar agitación del tanque a velocidad moderada y mantenerla. -Tiempo estimado de carga actual: 1hr.

31


4.-Dispersión (Humectación). 5.- Molienda.

*Mezclar y posteriormente seguir agregando las materias primas: -Negro de Humo -Talco Malla 325 -Plumbito de Calcio -Carbonato de Calcio -Dióxido de Titanio -Cromato de Zinc *Continuar el mezclado 40min. *Cargar la siguientes materias al tanque mezclador: -Copolímero de estireno -n-Butanol -Ácido fórmico -Remanente de agua desionizada *Realizar mezclado durante 1hr. *Abrir válvula de suministro de aire para poner en operación la bomba de alimentación y retorno al molino. *Realizar proceso de molienda por recirculación.

-Tiempo estimado de incorporado: 20min. -En caso de elevarse demasiado la temperatura, comenzar el flujo de agua fría en la chaqueta. -Tiempo estimado de carga: 25min. -Por cada periodo definido de recirculación, tomar una muestra de la pasta y enviarla a laboratorio de control de calidad para análisis de propiedades hasta que estas sean cumplidas. 1.-Densidad 2.-Viscosidad 3.-Tamaño de partícula 4.-% de sólidos 5.-Poder Cubriente 6.-Índice de refracción

32


6.- Ajuste. 7.- Filtración. 8.- Almacenamiento.

*Condiciones de operación: -Temperatura: T

33

N-Butanol

Agua Desionizada

L.B.

Resina Acrilica

T.A

Butil Cellosolve

Hexil Cellosolve

Propil Cellosolve

Tanque Mezclador

T.A

T.A

T.A

Negro de Humo

S.A.

Talco

S.A.

S.A.

S.A.

Plumbito de Calcio

Carbonato de Calcio

Dióxido de Titanio

Cromato de Zinc

S.A.

S.A.

Copolímero de Estireno

T.A

T.A

Ácido Fórmico

T.A

Inertizar

L.B.

Aire

Perlas de

Zirconio

Molino de Arena Filtración

Almacenamiento

T.A


Diagrama II.3 Diagrama de Bloques del Proceso de Reacción por Emulsión IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

34

M

R1

P1

P2C1

C2

C3

C4

D1

D2

D3

D4

D5

M

Tambores

Olla para Envasado

Olla para Pasadas

TE TT TC

PI

TI

PILI

PI

LI

TI

R2D6

WS


Diagrama II.4 Proceso de Fabricación de una Pintura Base Agua. IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

35

II.2 Proceso Base Solvente.

La polimerización por solución es llevada a cabo mediante el empleo de diversos tipos de

solventes orgánicos que presentan buena solubilidad hacia la resina.

Es un método muy empleado a nivel industrial debido a la regulación de sus técnicas a las

reglas de protección al medio ambiente como la regla 66, por lo que el proceso presenta un

control de emisiones contaminantes considerable, cuidando de que la cantidad de solventes en

el sistema no exceda ciertos porcentajes que afecten fotoquímicamente la calidad del aire.

Ahora el mayor inconveniente para una empresa ya no lo presenta la regulación de su proceso

ante la normatividad del medio ambiente, sino el reutilizar los solventes empleados en la

reacción; debido a que la recuperación de dichas sustancias es limitada el procedimiento

resulta caro al abastecer en cada momento una determinada cantidad de solventes.

II.2.1 Selección de Materias Primas.

Solventes.

-Tolueno )( 356 CHHC /Xileno ))(( 2346 CHHC /Acetona )( 63 COHC

Se adicionan para solubilizar a la resina en el sistema. Estos compuestos presentan buen

poder solvente en un amplio rango de resinas aniónicas y catiónicas.

- Etilenglicol Butil Éter Acetato )( 32294 OCOCHCHOCHHC

El acetato se emplea como coalescente para reducir la polaridad y viscosidad de los solventes,

también elimina la presencia de hidrógeno reactivo encontrado en otros glicoles éteres.


Temperatura de Ebullición 191.7°C

Flash Point 78°C

Densidad del Líquido @20°C 0.942g/cm3


Solubilidad en Agua g/Lt o %@20°C 15g/Lt

-Etilenglicol Hexil Éter )( 22136 OHCHOCHHC

Solubiliza a la resina, ayuda a la formación uniforme del recubrimiento durante su secado

evitando la aparición de imperfecciones.

36



Flash Point 91.5°C

Densidad líquida @20°C 0.89g/cm3


Solubilidad en Agua g/Lt o % @20°C 9.46g/Lt

-Dipropilenglicol Metil Éter HOCHCHCHOCH2323

)(

Excelente coalescente para acabados, tiene velocidad media de evaporado, presenta buen

acoplamiento en solventes orgánicos.


Temperatura de ebullición 190°C

Flash Point 75°C

Densidad Líquida @20°C 0.953g/cm3


Solubilidad en Agua g/Lt o % @20°C 100%

-Acetato de Etilo )( 323 CHCOOCHCH /Di metil Formamida )( 73 NOHC

Se adicionan para que el sistema obtenga buenas propiedades de flujo y permitan la formación

uniforme de la película antes de la completa evaporación de los solventes de mayor proporción.

-n-Butanol )( 104 OHC

Estabiliza la amina de la cadena principal evitando que se altere por elevaciones de

temperatura o cambios bruscos de pH.

Medios Reaccionantes.

-Monómero Metil Metacrilato.

-Monómero 2 Etil Hexil Metacrilato.

-Monómero Hidroxietil Metacrilato.

-Monómero Ácido Acrílico.

-Dietilamina.

Iniciadores.

-Azobisisobutironitrilo.

El Azobisisobutironitrilo es soluble en una amplia variedad de solventes orgánicos

(hidrocarburos y otros compuestos funcionales); resiste temperaturas de más de 100°C.

37

CH3

CH2

C

CH3

N N C

CH3

CNCN

CH2

CH3

Estructura II.4 (AIBN).

-Peróxido de Benzoilo )( 41014 OHC

Es frecuentemente adicionado como un catalizador para promover una conversión completa

del monómero.

Pigmentos.

-Negro de Humo/Dióxido de Titanio.

Cargas.

-Carbonato de Calcio/Talco Malla 325/Plumbito de Calcio/Cromato de Zinc.

II.2.2 Formulaciones y Procesos de Producción.

II.2.2.1 Elaboración de la Resina Acrílica.

Tabla II.9 Formulación General de la Resina Acrílica por Solución.


M1 Metil Metacrilato 845.833

M2 2 Etil Hexil Acrilato 755.208

M3 Hidroxietil Metacrilato 187.292

M4 Ácido Acrílico Glacial 24.167

D1 Tolueno 338.551

D2 Acetona 1,205.7

I1 Azobisisobutironitrilo 108.267

I2 Peróxido de Benzoilo 12.57

D3 Di etilamina 184.633

Tabla II.10 Fabricación de la Resina Acrílica (Reacción por Solución).


1.- Inspección.

*Checar que tuberías, válvulas, medidores y equipos estén en óptimas condiciones para operar.

-Evitar herrumbre, polvo y calibrar medidores. -Realizar prueba de burbujeo en tuberías.

38


2.- Limpieza. 3.- Carga. 4.- Inertización. 5.- Reacción.

*Verificar que el interior del reactor y tanques receptores estén libres de residuos de resinas anteriores. *Adicionar al TA1 una parte de los monómeros acrílicos. *Cargar al TA2 el iniciador y alimentar al TA3 el peróxido de benzoilo. *Agregar al reactor los disolventes en el siguiente orden: -Acetona. -Segunda parte de monómeros acrílicos. Comenzar a mezclar. -Tolueno. -Dietilamina. *Abrir el paso de gas nitrógeno y agitar continuamente para expulsar el aire existente en el sistema. *Se alimenta la carga de monómeros y el iniciador de forma intermitente y mezclando continuamente. *Se adiciona el peróxido de benzoilo.

- En caso de no estar limpios, realizar su aseo con solventes compatibles. -Tiempo estimado de carga de TA´s: 1hr. -Tiempo estimado de carga a reactor: 30min. -Tiempo estimado de propagación del gas: 30min. -Al completar la alimentación, calentar reactor hasta que se alcance temperatura de reflujo. -Tiempo estimado de alimentación de monómeros e iniciador: 1.5hr. -Aumentar la temperatura a para polimerizar remanentes. -Tiempo estimado de propagación y estabilización del monómero y conversión de remanentes: 2.5hr.

39


6.- Evaporación. 7.- Enfriamiento. 8.- Filtración.

*Agitar continuamente el sistema. *Inmediatamente dejar de recircular. *Agitar constantemente la mezcla y al mismo tiempo circular agua fría en la chaqueta del reactor. *Se separa mediante agitación la resina del tolueno y ésta por densidad pasa primero por un filtro de acero al carbón, donde retiene remanentes y restos de iniciador enviándola a un tanque receptor.

-Tiempo estimado de evaporación: 40min. -Tiempo estimado de enfriamiento: 45min. -Tiempo estimado de filtración: 45min.

Fin de Proceso. Tiempo Total: 8hrs, 10min.

40

Monómeros

Acrílicos

Iniciador

Peróxido de

Benzoilo

Tanque de

Alimentación 1

Tanque de

Alimentación 2

T.A

T.A

T.A Tanque de

Alimentación 3

Acetona

Tolueno

T.A

T.A

Reactor Batch

Inertizar

Dietilamina

Aceite Térmico

T.A

L.B.

Agua de enfriamiento

L.B.

Torre de enfriamientoL.B.

Filtración

Agua de

Chaqueta

Condensador

Tanque de

Almacenamiento

Acetona y Tolueno

Tanque de

Almacenamiento de

Resina

DestiladorCondensador

Tanque de

Almacenamiento de

Acetona

Quemador

L.B.

Vapor

Tanque de

Almacenamiento de

Tolueno


Diagrama II.5 Diagrama de Bloques del Proceso de Reacción por Solución IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

41

PEPTPC

TETTTCA

TE

TT

TC

LELC LT

PI

PILELTLC

LE

LT

LC

M

SC

NS WS1 MonómerosIniciador Peróxido de Benzoilo WS2 ATS

TA1 TA2 TA3

Tanque de

Recuperación

de Solventes

Tanque de

Almacenamiento de

Resina


Diagrama II.6 Proceso de Reacción en Solución de Resina Acrílica IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

42

Posterior a la separación de la resina, los disolventes pasan al tanque de recuperación donde a partir de ahí son alimentados a un

rectificador para ser separados y que ambos presenten cierto grado de pureza para poder seguir empleándolos en resina acrílica o en

procesos con otro tipo de monómeros y así evitar la adquirir frecuentemente esta materia prima.

LE LCLTPI

PE

PT

PC

LCLTLE

PE PT PC

WS

Tanque

Receptor de

Acetona

SS

Tanque

Receptor de

Tolueno

Quemador

Destilador

Tanque de

Recuperado


Diagrama II.7 Reflujo Total de Acetona-Tolueno IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

43

II.2.2.2 Proceso de Molienda.

Tabla II.11 Formulación de una Pintura Acrílica Base Solvente.


R1 Resina Amino-Acrílica 1,450

R2 Copolímero de Estireno 50

D1 Xileno 76.20

D2 Acetato de Etilo 46.60

D3 Etilenglicol Butil Éter Acetato 214.5

D4 n-Butanol 66.87

D5 Etilenglicol Hexil Éter 56.1

D6 Dipropilenglicol Metil Éter 46.6

D7 Dimetil Formamida 119.13

C1 Talco Malla 325 130.5

C2 Plumbito de Calcio 8.58

C3 Cromato de Zinc 34.92

C4 Carbonato de Calcio 28.74

P1 Negro de Humo 12.42

P2 Dióxido de Titanio 158.84

Características del Producto.

No Volátiles: 75%

Relación de Resinas: R1:R2, 29:1

Relación Pigmento-Carga: TiO2:CaCO3, 5.5:1

Cromato de Calcio: 2.33 partes/100 de resina

Negro de Humo: 7.82%/TiO2

Etilenglicol Butil Éter Acetato: 14.3 partes/100 de resina

Etilenglicol Hexil Éter: 3.74 partes/100 de resina

Dipropilenglicol Metil Éter: 3 partes/100 de resina

Tabla II.12 Proceso de Molienda de una Pintura Base Solvente.


1.- Inspección.

*Verificar condición de válvulas, tuberías, tanques, molinos, agitador y filtros. *Cerciorarse que balanzas, indicadores de presión, temperatura y flujo estén calibrados. *Asegurarse que tanques, ollas y molinos estén aterrizados.

-Evitar presencia de polvo, herrumbre y residuos de otras pinturas. -Evitar fuegos relámpago generados por la estática.

44



2.- Limpieza. 3.- Carga. 4.-Dispersión (Humectación).

Checar limpieza del molino ollas y tanque, así como bombas de alimentación y salida de material. *Revisar que las materias primas surtidas sean las requeridas. *Inmediatamente comenzar a Inertizar la atmósfera del tanque de mezclado con gas nitrógeno. *Cargar las siguientes materias primas al tanque mezclador en el siguiente orden: -Resina Amino-Acrílica -Xileno -Butil Acetato -Hexil Éter -Dipropilenglicol Metil Éter *Mezclar y posteriormente seguir agregando las materias primas: -Negro de Humo -Talco Malla 325 -Plumbito de Calcio -Carbonato de Calcio -Dióxido de Titanio -Cromato de Zinc *Continuar con el mezclado 40min. *Cargar la siguientes materias al tanque mezclador: -Copolímero de estireno -n-Butanol -Acetato de Etilo -Dimetil Formamida -Remanente de xileno

-En caso de no estar limpio(s), realizar el lavado con los solventes correspondientes. -Verificar con la hoja de proceso su código, cantidad, tipo y número de lote. -En caso de que el envase y/o empaque de las materias no contengan el peso neto, deberá pesarse y anotarse su medida. -Agitar el tanque a velocidad moderada y mantenerla. -Tiempo estimado de carga actual: 1hr. -Tiempo estimado de incorporado: 20min. -En caso de elevarse demasiado la temperatura, comenzar el flujo de agua fría en la chaqueta.

45


5.- Molienda. 6.- Ajuste. 7.- Filtración. 8.- Almacenamiento.

*Realizar mezclado durante 1hr. *Realizar proceso de molienda por recirculación. *Condiciones de operación: -Temperatura: T

46

Resina Acrílica

N-Butanol

Copolímero de Estireno

T.A

Dimetil Formamida

T.A

Cargas

Pigmentos

Tanque Mezclador

T.A

T.A

T.A

T.A

T.A

T.A

T.A

S.A

S.A

Inertizar

Perlas de

Zirconio

T.A

Aire

L.B.

Molino de Arena

Filtración

Almacenamiento

Xileno

Acetato de Etilo

E. Butil Eter Acetato

E. Hexil Eter

D. Metil Eter


Diagrama II.8 Diagrama de Bloques del Proceso Base Solvente IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

47

M

R1

P1

P2C1

C2

C3

C4

D1

D2

D3

D4

D5

M

Tambores

Olla para Envasado

Olla para Pasadas

TE TT TC

PI

TI

PILI

PI

LI

TI

R2

D6D7

WS


Diagrama II.9 Proceso de Fabricación de una Pintura Base Solvente IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

48

El envasado en tambores de la pintura acrílica base agua y solvente conlleva al final de su

proceso de producción y a su distribución a la armadora de carrocerías donde será aplicada

por electrodeposición.

II.3 Proceso de Cataforesis.

El recubrimiento por electrodeposición es un método para cubrir objetos eléctricamente,

aplicando corriente directa entre un electrodo y el objeto catódico o anódico sumergido en un

baño de pintura. (14)

Este proceso presenta 3 ventajas importantes en particular:

Provee al metal alta resistencia a la corrosión.

Excelente distribución y resguardo de la pintura.

Control de la contaminación.

La electrodeposición catódica fue desarrollada para aumentar la resistencia a la corrosión en

ambientes severos donde la salinidad o acidez están muy presentes satisfaciendo la “Guía

relacionada con la resistencia a la corrosión” de Canadá publicada en 1977, haciéndola

oficialmente práctica y comercial para el pintado de carrocerías.

II.3.1 Preparación de la superficie metálica.

Para que cualquier recubrimiento pueda adherirse de manera satisfactoria al sustrato, el

aplicador debe tener muy en cuenta que la carrocería ha sido expuesta a un maquinado previo;

es decir, en la industria automotriz generalmente se reciben las láminas libres de impurezas,

pero hace falta realizar una serie de operaciones como son, troquelado, corte, perforación,

rebabeo y ensamble de piezas; todo esto con el fin de armar la carrocería.

Con este proceso el sustrato está expuesto a ensuciarse con grasas, óxidos, polvos y

escamas. Por tal motivo, se inicia el tratamiento del mismo de la siguiente manera:

Desengrase con Solventes.

-Inmersión de la carrocería en baño de solución acuosa a 60°C aproximadamente con

detergentes, carbonato de sodio y agentes humectantes.

-Posteriormente se aplican disolventes alcalinos por aspersión.

-Se procede a fregar o cepillar con raspadores o cepillos para separación de sólidos

remanentes o de alta incrustación.

49

Enjuague.

El enjuague de la carrocería es realizado con agua desionizada caliente o con vapor, con el

propósito de eliminar remanentes de la solución des engrasadora.

Secado.

Se eleva la temperatura del cuerpo metálico de (100-110) °C para evaporar toda el agua del

sistema.

Fosfatado.

Es un proceso químico para el tratamiento de la superficie metálica en el que se forman capas

micro-cristalinas de fosfato de zinc y fierro, difícilmente solubles al agua y muy resistentes a

agentes corrosivos.

Para la formación de dichas capas, primero hay que emplear agentes activadores antes de la

fosfatación mediante aspersión para incrementar el número de lugares activos donde se

forman los cristales de fosfato.

Posteriormente se sumerge la carrocería en un baño de solución de ácido fosfórico en mayor

proporción y fosfato de zinc, éste último en menor cantidad. La temperatura del baño es de (40-

60) °C y es aplicado de (90-180) segundos.

Lavado.

Se eliminan los remanentes de los ácidos procedentes de la fosfatación. Primero, mediante

inmersión en agua simple y posteriormente por aspersión con agua desmineralizada.

Secado.

Inmediatamente de salir de la zona de lavado, la carrocería entra al horno de secado a una

temperatura de 170°C aproximadamente, con el fin de evaporar completamente el agua de

toda superficie.

Electrolisis.

Aquí la pintura acrílica tipo base se descompone en forma de iones por efecto de un generador

eléctrico, dichos iones migran en bloque hacia el electrodo de carga contraria a sí mismos.

Las cargas positivas corresponden a la resina o aglutinante, éste es depositado en la

carrocería que actúa como cátodo.

50

+ Fe+

Resina Poliamino Substrato Recubrimiento Electrodepositado

CH3

CH3

CH2

C

CH3

O

OH

N

CH2

CH3CH2 C

H

CH3

CH3

CH2

C

CH3

O

OH

N

CH2

CH3CH2 C

Fe

Las cargas negativas van dirigidas hacia la cuba electrolítica o ánodo, donde quedan como

remanentes los demás compuestos de la solución para ser removidos posteriormente. El ciclo

de depositado se estima que es de 15 minutos.

Flasheo.

Consiste en una cámara con una temperatura de (70-80) °C donde se produce la mayor

emisión de disolventes orgánicos en el caso de bases solventes y vapor de agua en el caso de

las bases agua.

Horno de Curado.

Reticula el recubrimiento orgánico aplicado. Su temperatura de operación está en un rango de

(150-180) °C. El ciclo de curado es de 15 minutos.

Posterior a esta etapa, la carrocería es enfriada (100-110) °C, la cual representa la última fase

del proceso de aplicación.

A continuación, después de conocer el proceso de elaboración de una pintura desde la

elaboración de su resina hasta su molienda, se entrará en detalle sobre los equipos empleados

para la producción de cada base considerando la cantidad de energía gastada por cada uno,

así como su diseño óptimo que influirá en el costo final para la factibilidad de ambas bases.

51

Desengrase Alcalino Enjuague Secado

Fosfatado Lavado Secado

Cuba de Aplicación

Horno de Secado


Diagrama II.10 Flujo del Proceso de Aplicación IVÁN ANDRÉS MARTÍNEZ MARES

52

CAPÍTULO III. DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO.

En la fabricación de pinturas como en la de cualquier otro producto, las propiedades que se

deseen involucrar están relacionadas principalmente con los procesos y operaciones

industriales para que el aprovechamiento de las materias primas sea el óptimo.

Equipos Primarios.

-Reactor Batch.

La polimerización por emulsión y la realizada por solución son llevadas a cabo usualmente por

un proceso intermitente, es decir, se requiere emplear un reactor tipo batch el cual trabaja de

manera discontinua, por lo que es más sencillo darle limpieza para cambios de resina o

disolvente así como proporcionarle el mantenimiento necesario. (9)

Figura III.1 Reactor Intermitente

Los reactores intermitentes tienen domo y fondo tipo toriesféricos de acuerdo a un diseño

convencional; cuerpo y tapas hechas de acero inoxidable 316 y es capaz de resistir al menos

40psi de presión interna.

En el interior se encuentra un agitador el cuál es construido del mismo material que el reactor;

en su diseño recomendable que tenga 3 hojas curveadas que le permitan proveer una

velocidad periférica variable de 46-183 m/min, lo que hace más versátil la agitación de la

mezcla.

53

Figura III.2 Agitador de 3 álabes curveados.

La temperatura de los reactantes es controlada por la circulación de aceite caliente y agua fría

a través de una chaqueta que rodea el cuerpo cilíndrico.

-Molinos.

El molino de arena es empleado con el fin de reducir el tamaño de partículas del pigmento de

acuerdo al tamaño que se especifique. Dicho molino consta de una cuba o cámara de molienda

con un husillo en su interior, éste puede poseer álabes de distinto tamaño o discos que giran a

gran velocidad causando turbulencia en su interior.

Dentro de la cuba se encuentra el medio de molienda, las cuales son perlas de circonio que

van de 0.6-2.0 mm de diámetro. Cada tamaño se emplea de acuerdo a las características del

equipo y formulación requerida.

Figura III.3 Husillo de platos giratorios

El molino cuenta con un sistema de refrigeración debido al incremento de temperatura

originado por la alta velocidad de los discos que causan la turbulencia. Evitando cambios en las

propiedades de la dispersión.

54

Figura III.4 Molino de Arena.

Equipos Secundarios.

-Condensadores.

Los condensadores ayudan al intercambio de calor de los solventes que son evaporados

durante la reacción en el reactor; éstos pasan por un haz de tubos donde cambian su

temperatura y a veces su estado de agregación con otro fluido que pasa por el lado de la

coraza del mismo cambiador de calor. Así el solvente regresa al sistema con menos energía

calorífica para estabilizar al sistema.

Figura III.5 Co

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL...complementarios para obtener la pintura automotriz. Por último se detallará el proceso de tratamiento de superficie de una carrocería para la aplicación