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Características y especificaciones del PVC...

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UCA – Facultad de Química e Ingeniería “Fray Rogelio Bacon” - Bruera - Suarez

El PVC (Policloruro de Vinilo)

El PVC (Policloruro de Vinilo) es un polímetro termoplástico, obtenido de dos materias primas naturales: - un 57% del cloruro de sodio o sal común (ClNa), fuente inagotable - un 43% del petróleo Se puede afirmar, pues, que el PVC es el plástico con menor dependencia del petróleo, del que hay disponibilidad limitadas. Por otro lado, sólo un 4% del consumo total del petróleo se utiliza para fabricar materiales plásticos, y, de ellos, únicamente una octava parte corresponde al PVC. De la sal común se deriva el Cloro y del petróleo el Etileno, ambos elementos dan como compuesto resultante dicloro etano, el cual se convierte a altas temperaturas en el gas cloruro de vinilo (CVM). A través de un proceso de polimerización (emulsión, suspensión en masa y en solución), el Cloruro de Vinilo se transforma en un polvo blanco, fino y químicamente inerte: la resina de PVC. A partir de ella se pueden obtener productos rígidos y flexibles. A partir de procesos de polimerización, se obtienen compuestos en forma de polvo o pellet, plastisoles, soluciones y emulsiones.

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¿Cuáles son las propiedades importantes del PVC? El PVC es un material termoplástico (Los termoplásticos son un tipo de material plástico o deformable, que al calentar pasan a un estado viscoso o fluido; y pasan a un estado vítreo, frágil al enfriar suficientemente). Esta propiedad les permite que bajo la acción del calor se reblandezca, y puede así

moldearse fácilmente; y al enfriarse recupera la consistencia inicial y conserva la forma que se pretendía obtener. La diferencia con los termoestables en que éstos últimos no funden al elevarlos a altas temperaturas, sino que se queman, siendo imposible volver a moldearles. En la industria existen dos tipos: •

Rígido: para envases, ventanas, tuberías, las cuales han reemplazado en gran medida al hierro (que se oxida más fácilmente).

•

Flexible: cables, juguetes, calzados, pavimentos, recubrimientos, techos tensados.

9 Forma y Tamaño de la Partícula: De forma esférica y en casos similar a una bola de algodón. El tamaño varía según sea resina de suspensión (40 – 80/120 micrones) o de pasta (0.8 – 10 micrones) 9 Porosidad de la Partícula: Característica de cada tipo de resina. A mayor porosidad, mayor facilidad de absorción del plastificante, acortándose los ciclos de mezclado y eliminando la posibilidad de que aparezcan “ojos de pescado” en el producto terminado. 9 Peso Molecular : Al disminuir el peso molecular, las temperaturas de procesamiento de las resinas serán más bajas y serán más fácilmente procesables; las propiedades físicas en el producto terminado, tales como la tensión y la resistencia al rasgado, serán más pobres; el brillo y la capacidad de aceptar más carga será mejor y la fragilidad a baja temperatura será menor. 9 Estabilidad Térmica: A mayor peso molecular, mayor estabilidad térmica. Durante su procesamiento, la resina se degrada al recibir calor y trabajo. La 2

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degradación se presenta en forma de amarillamiento y empobrecimiento de las propiedades mecánicas del producto. Es para evitar esto que se adicionan los estabilizadores.

Principales características del PVC: −

Rango de temperatura de trabajo: de -15ºC A 60ºC.

−

Elevada resistencia química: necesaria por el continuo contacto con material en descomposición., como así también elevada tolerancia a sustancias altamente alcalinas y ácidas.

−

Resistencia a la corrosión: el tubo de PVC es inmune a casi todos los tipos de corrosión experimentados en sistemas de tuberías subterráneas. Como el PVC no es conductor, los efectos galvánicos y electroquímicos no existen en las tuberías. En consecuencia no se necesita ningún tipo de recubrimiento ni protección catódica cuando se usan tubos de PVC.

−

Resistencia al ataque biológico: tiene una excelente resistencia a la degradación y/o deterioro causado por acción de microorganismos (hongos y bacterias) o macroorganismo (termitas).

−

Resistencia a la intemperie (sol, lluvia, viento y aire marino): cuando son sometidos permanentemente a la radiación ultravioleta del sol, los tubos de PVC pueden sufrir daños superficiales, por lo que se recomienda emplear

compuestos

especiales

para

este

fin

o

protegerlos

con

recubrimientos adecuados. −

Resistencia al impacto: Su fortaleza ante la abrasión, resistencia mecánica y al impacto, son las ventajas técnicas claves para su elección en la edificación y construcción.

−

Densidad: el PVC, al igual que los otros materiales termoplásticos se caracteriza por su bajo peso específico (1,4 g/cm3), comparado con la mayoría de los materiales utilizados en la fabricación de tubos. Esto permite obtener un tubo liviano, sin que por ello resulte débil.

−

Resistencia a las cargas superpuestas: los tubos de PVC se obtienen por extrusión de un compuesto rígido de PVC, pero, deben ser considerados como conductos flexibles desde el punto de vista del diseño. Un tubo 3

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flexible, se define como aquel que se deformará por lo menos un 2% sin ningún signo de daño. Esta flexibilidad le permite soportar las cargas del suelo ya que al deformarse transforma parte de las cargas verticales que actúan sobre él, en cargas horizontales, las que son absorbidas por la resistencia pasiva del suelo. −

No contaminante: las propiedades del PVC lo hacen atóxico, no migratorio, o sea que no reacciona con los elementos y compuestos residentes en los suelos, ni materiales de construcción; logrando además, que el material transportado, por ningún motivo, contamine el entorno.

−

Aislante: Térmico, eléctrico, acústico

−

Protege los alimentos: Permeable al vapor

−

Resistente al fuego: No propaga la llama - Auto extinguible

−

Impermeable: a gases y líquidos

−

Inerte e inocuo: Los productos finales de PVC no contienen Cloro ni organoclorados libres. El PVC es estable y muy inerte. Tiene buena resistencia a los solventes, ácidos y bases. Su comportamiento frente a líquidos, gases y vapores, lo hacen especialmente adecuado para estar en contacto con alimentos, medicamentos y con el cuerpo humano en usos de prácticas médicas. Se emplea extensivamente donde la higiene es una prioridad. Los catéteres y las bolsas para sangre y hemoderivados están fabricadas con PVC

−

Versátil: Gracias a la utilización de aditivos tales como estabilizantes, plastificantes y otros, el PVC puede transformarse en un material rígido o flexible, teniendo así gran variedad de aplicaciones.

−

Larga vida útil: se estima superior a los 50 años, en condiciones normales de uso, lo cual se comprueba en aplicaciones tales como tuberías para conducción de agua potable y sanitarios. Una evolución similar ocurre con los marcos de puertas y ventanas en PVC.

−

Sellado hermético: en sus diferentes formas de unión.

−

Transporte en obra: dada su liviandad, su transporte en obra se simplifica, pudiendo manejarse tubos de hasta 400mm de diámetro y 6 mts de longitud con sólo dos personas.

−

Bajo costo: considerando las propiedades descriptas y su elevada longevidad, el costo resulta ínfimo. Buena relación calidad/precio. 4

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PRODUCTORES DE PVC Según estimaciones del 2001, Bahía Blanca es el mayor centro petroquímico de la provincia, con una participación de un 58% de la producción provincial, mientras que a nivel nacional, también participa fuertemente, dado que concentra un 45% de la producción del país. Actualmente, el Polo Petroquímico Bahía Blanca está compuesto por tres tipos de industrias: Industria petrolera (Productos: etano, naftas, GLP, fuel oil, gas oil, gasolina, asfalto, kerosén), Industria petroquímica (Productos: etileno, VCM, PVC, polietileno, urea, amoníaco puro) e Industria química (Productos: cloro, soda cáustica) Solvay Indupa: Es una de las empresas del Grupo Solvay, grupo internacional con sede en Bruselas y una de las petroquímicas más importantes de la región MERCOSUR. Sus productos principales son PVC (Policloruro de Vinilo) y Soda Cáustica. Cuenta con 2 complejos industriales: uno ubicado en Bahía Blanca, Argentina y otro en Santo André, San Pablo, Brasil. Unidad de Electrolisis

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La primera unidad productiva de los complejos industriales de Solvay Indupa es la Electrólisis, en la cual la sal es disuelta en agua para luego ser disociada, generando cloro, hidróxido de sodio e hidrógeno. El cloro a su vez, sale de la electrólisis como un gas húmedo a baja presión, que es secado para ser enviado directamente a la unidad siguiente, que es la de obtención del Dicloroetano, materia prima intermediaria del PVC. El envío directo del cloro de la producción al consumo, sin licuado o almacenaje intermedio simplifica el proceso, permite la reducción del consumo de energía y evita la existencia de complejos sistemas de almacenamiento, manipuleo y control del cloro líquido. Para disminuir aún más la posibilidad de pérdidas de cloro para la atmósfera, la mayor parte de los equipos que lo contiene están directamente ligados a un sistema de absorción de cloro en soda cáustica, transformándolo en hipoclorito de sodio. Este producto es ampliamente utilizado en la desinfección y en procesos de blanqueo. Como obtener EDC y VC

En la unidad de Cloración, el cloro gaseoso reacciona directamente con el Etileno (un gas petroquímico), generando el dicloroetano, un líquido incoloro de alta pureza. Este proceso de cloración directa permite altas tasas de conversión, con baja generación de residuos, evitando el gasto de insumos para su tratamiento. Los gases residuales (básicamente el aire presente en el cloro y una pequeña fracción de etileno no reaccionado) son utilizados como combustible de una caldera que genera calor y produce ácido clorhídrico. Cuando el dicloroetano es calentado hasta temperaturas de alrededor de 500ºC, sus moléculas se separan en cloruro de vinilo y cloruro de hidrógeno, 6

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en un proceso llamado pirólisis. Esta reacción ocurre en hornos calentados por aceite combustible o gas. Luego de la reacción, la mezcla debe ser enfriada rápidamente, lo que ocurre en intercambiadores de calor, generando vapor. Enseguida, la mezcla pasa por columnas de destilación para separar el cloruro de vinilo del cloruro de hidrógeno y del dicloroetano no reaccionado. Este último es reciclado para la pirólisis tras un proceso de destilación. El cloruro de hidrógeno es enviado para la unidad de oxicloración. El proceso de pirólisis no genera residuos, pues todos sus productos son aprovechados o reciclados. Por ejemplo: el dicloroetano no reaccionado es purificado, consumiendo el vapor generado en el enfriamiento de la mezcla. El Dicloroetano también es obtenido a partir de la oxicloración del etileno, utilizando como materia prima el cloruro de hidrógeno generado en la pirólisis, en presencia de un catalizador y con consumo del oxígeno del aire. La reacción libera grandes cantidades de energía redistribuida bajo la forma de vapor para otros consumidores en la planta. Ese proceso de oxicloración produce dicloroetano menos puro que el de cloración. Por lo tanto, el dicloroetano debe ser sometido a un proceso de destilación antes de ser enviado a la pirólisis. Destilación del dicloroetano: En este proceso, el Dicloroetano proveniente de la oxicloración y de la pirólisis (igual que el eventual dicloroetano adquirido de otras fuentes) es tratado para alcanzar el nivel de especificación exigido para producir cloruro de vinilo. El proceso incluye la separación de pequeñas cantidades de cloro, hierro, cloruro de hidrógeno, agua, y otros componentes organoclorados. El producto de esa separación es enviado para la misma unidad que trata los gases de la cloración, que como y se ha dicho, genera vapor y ácido clorhídrico, que puede ser vendido o utilizado internamente. Todos los procesos son ambientalmente eficaces, porque todo ha sido diseñado para recuperar calor y vender o reciclar internamente los productos obtenidos. Además de eso, todos los efluentes generados pasan por tratamientos físico-químicos y biológicos.

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Polimerización de PVC

El PVC es una resina termoplástica, producida cuando las moléculas de cloruro de vinilo se asocian entre sí, formando cadenas de macromoléculas. Este proceso es llamado de polimerización, y puede ser realizado de varias maneras, dos de esos procesos son: polimerización en suspensión y polimerización en emulsión. Ambos usan un proceso semicontínuo, en el que los reactores se alimentan con el monómero cloruro de vinilo, con los aditivos, catalizadores y agua (la reacción de polimerización del PVC ocurre en medio acuoso). Las diferencias entre los procesos suspensión y emulsión se manifiestan en el tamaño y en las características de los granos de PVC obtenido, y por lo tanto, cada proceso es elegido según las aplicaciones y resultados que se quieren obtener con el PVC. Después del final de la reacción, se agotan los reactores y la mezcla de agua y PVC es separada del monómero no reaccionado. El PVC es centrifugado, secado y embalado. El agua es reciclada o tratada en la unidad de tratamiento de efluentes. Como el VCM tiene propiedades tóxicas, es muy importante que no se lo libere para la atmósfera ni permanezca en el producto. Por eso, varias etapas del proceso y las características de los equipamientos donde él ocurre fueron concebidas para evitar tales pérdidas: esto asegura que nuestras resinas contengan sistemáticamente menos que 1g de VCM por tonelada de PVC.

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ENSAYOS DE CONTROL DE CALIDAD Fundamentales para controlar el comportamiento de los plásticos. Los métodos de análisis térmico tienen gran importancia en la caracterización de los materiales termoplásticos debido a la gran relación existente entre sus propiedades y la temperatura. Los ensayos normalizados, como el Índice de Fluidez o la Temperatura de reblandecimiento Vicat, son los más utilizados por la industria debido a su rapidez, sencillez y comodidad. Otras técnicas muy usadas son: Calorimetría diferencial de barrido (DSC), Análisis termogravimétrico (TGA) y el Análisis térmico mecánico dinámico (DMTA).

Índice de Fluidez Ésta es inversamente proporcional al peso molecular. A índices de fluidez menores corresponden mayores pesos moleculares. La determinación se obtiene con un reómetro que mantiene una temperatura fija (190 ºC). La muestra esta contenida en

un

cilindro

metálico

a

dicha

temperatura, se aplica sobre la masa fundida un pistón con una carga especificada, pasando a través de una boquilla de dimensiones normalizadas. Se cuantifica la cantidad de material fundido que atraviesa una boquilla por unidad de tiempo. El índice de fluidez se define como el peso en gramos de producto fundido y extraído durante 10 min. y a 190 ºC de temperatura que ha pasado por la boquilla. Un peso molecular promedio bajo equivale a índices de fluidez altos, es decir, la masa fundida presenta una viscosidad baja, ideal para la inyección. Los 9

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índices de fluidez habituales se sitúan en el intervalo de 0,5 g/ 10 min. a 40 g/ 10 min. A partir de la diferencia de índices de fluidez antes y después de la transformación se puede sacar la conclusión acerca de la degradación sufrida por el material durante la misma, es decir, el peso molecular promedio es menor debido a la rotura de las cadenas moleculares.

Temperatura de reblandecimiento VICAT: Este método permite estudiar el reblandecimiento de los termoplásticos cuando la temperatura aumenta. El ensayo consiste en determinar la temperatura a la que un punzón cilíndrico de acero ha penetrado dentro de la probeta una profundidad de 1± 0,1 mm.

Variación de la temperatura de reblandecimiento Vicat en función de la temperatura de trabajo.

Para ello, se sumergen las probetas en un líquido de acondicionamiento térmico. Se le apoya en su superficie un percutor de sección normalizada, con la masa correspondiente a la norma de ensayo. La cubeta debe disponer de un elemento calefactor que incremente la temperatura del medio en 1ºC por minuto, y un elemento de medida que indique la posición del percutor con referencia a la superficie de la probeta. Cuando el percutor se introduzca 1 mm, en la masa de la probeta, se anota la temperatura del medio, que es la Temperatura Vicat. El peso utilizado es de 10 N para el método A y de 50 N para el método B. Las probetas tendrán un espesor entre 3 y 6 mm y unas dimensiones de 10 x 10 mm. 10

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Calorimetría diferencial de barrido Es la más simple y universalmente empleada de las técnicas térmicas. La calorimetría diferencial de barrido es una técnica que empleamos para estudiar qué ocurre cuando un polímero es calentado. La usamos para analizar lo que llamamos las transiciones térmicas de un polímero que son cambios que tienen lugar en un polímero cuando se lo calienta. El primer paso es calentarlo. Y luego viene lo que se hace por medio de la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Calentamos nuestros polímeros en un dispositivo similar a éste:

Se tienen dos platillos. En uno de ellos, colocamos la muestra polimérica y el otro es el platillo de referencia, al cual dejamos vacío. Cada platillo se apoya sobre la parte superior de un calefactor. Luego por medio de una computadora se pone en funcionamiento los calefactores, calentando los platillos a una velocidad específica, generalmente a 10 ºC por minuto. La computadora asegura de que la velocidad de calentamiento sea la misma a lo largo de todo el experimento, y que los dos platillos separados, con sus dos calefactores separados, se calienten a la misma velocidad. ¿Por qué deben calentarse a la misma velocidad? La razón es que los dos platillos contienen diferentes cosas, uno un polímero y el otro no. El tener en el platillo material extra significa que hará falta más calor para lograr que la temperatura del platillo de la muestra, aumente a la misma velocidad que la del 11

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platillo de referencia. Por lo cual el calefactor situado debajo del platillo de la muestra, debe trabajar más intensamente que el calefactor que está debajo del platillo de referencia. Tiene que suministrar más calor. Lo que hacemos en una experiencia de DSC, es medir cuánto calor adicional debe suministrarse. Y lo hacemos del siguiente modo: Trazamos una curva a medida que la temperatura se incrementa. Sobre el eje X graficamos la temperatura. Sobre el eje Y la diferencia de producción de calor entre los dos calefactores, a una dada temperatura.

Análisis Termogravimétrico En este análisis se mide el cambio de peso de una muestra bajo condiciones i...