Degradación Termo-oxidativa de La Baquelita

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES

PRACTICA N°2 DEGRADACIÓN TERMO-OXIDATIVA TERMO-OXIDATIVA DE LA BAQUELITA

CURSO:

DEGRADACION DE LOS MATERIALES.

DOCENTE:

Ing. CARDENAS ALAYO, Donato.

ALUMNOS: -

CICLO:

AVALOS COLLANTES, Cleyver CARRANZA RODRÍGUEZ, Susana CHUNQUE CHÁVEZ, Jordán FLORES MALCA, Henrry

IX

FECHA DE REALIZACION: 22 de Mayo de 2018 FECHA DE PRESENTACION: 01 de Junio de 2018 TRUJILLO-PERÚ

2018

Universidad Nacional de Trujillo

Ingeniería de materiales

PRACTICA N°2 DEGRADACIÓN TERMO-OXIDATIVA TERMO-OXIDATIVA DE LA BAQUELITA

I.

OBJETIVOS 1.1.Describir usando fotos y comentario escrito las características superficiales de la baquelita sometida sometida a degradación degradación termo-oxidativa. 1.2.Hacer una figura de la variación de peso en función del tiempo de la degradación termo-oxidativa de la baquelita a 100°C y discutir el resultado.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1.Degradación 2.1.Degradación de polímeros Degradación polimérica es un cambio en las propiedades — fuerza fuerza de tensión, color, — de forma, etc. — de un polímero o producto basado en dicho compuesto, bajo la influencia de un o varios factores ambientales como el calor, la luz o químicos como ácidos, alcalinos y algunas sales. Estos cambios son usualmente indeseables tal como el cracking y la desintegración química de productos, o rara vez deseable en biodegradación o disminuir deliberadamente el peso molecular de un polímero para ser reciclado. Los cambios en las propiedades comúnmente comúnmente se denominan "envejecimiento”. En un producto terminado tal cambio se busca prevenir o retrasar. La degradación puede ser útil para reciclar/reusar el desperdicio del polímero de manera que sea posible prevenir o reducir la contaminación ambiental. La degradación asimismo puede ser inducida deliberadamente para ayudar a la determinación de la estructura. Las moléculas poliméricas son muy largas (a nivel molecular) y sus propiedades únicas y útiles son en mayor parte resultado de su tamaño. Cualquier pérdida en el largo de la cadena disminuye su fuerza y es una causa primaria del cracking prematuro. [1] El término degradación de polímeros se refiere a los procesos inducidos por luz solar, calor y otros agentes atmosféricos que conducen a una modificación de la estructura del polímero. Un polímero puede puede tener diversos diversos cambios físicos físicos o químicos: 



Físicos: decoloración, pérdida de brillo superficial, formación de grietas, superficies untuosas, erosión superficial y pérdida de propiedades como resistencia a la tracción-deformación. tracción-deformación. Químicos: rotura de cadenas, cambios en sustituyentes laterales, reacciones de entrecruzamiento etc. [1]

2



Tabla N°01. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradación.

Agente externo Luz solar Calor Agentes atmosféricos Humedad Hongos y microrganismos Luz +oxigeno Calor +oxigeno Luz + humedad

Tipo de degradación Foto degradación Degradación térmica Degradación oxidativa Degradación hidrolítica Biodegradación Fotodegradación oxidativa Degradación termoxidativa Degradación fotohidrolitica

F uente: (Upcommons 2008)

2.2.Baquelita Son las llamadas resinas fenol – formaldehído, comúnmente denominadas baquelita, nombre derivado del Dr. Leo. H. Backeland que las desarrolló en los años 1908 – 1912; se obtienen haciendo reaccionar el fenol (generalmente cresoles, p-fenilfenol, octilfenol) sobre el formaldehído en presencia de un catalizador ácido o básico, el polímero formado contendrá entonces enlaces formados por grupos CH2 y otros por grupos -CH2-O-CH2-, entre anillos fenólicos Este producto puede moldearse a medida que se forma y endurece al solidificarse. El alto grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la baquelita le confiere la propiedad de ser un plástico termoestable: una vez que se enfría no puede volver a ablandarse. Esto lo diferencia de los polímeros termoplásticos, que pueden fundirse y moldearse varias veces, debido a que las cadenas pueden ser lineales o ramificadas, pero no presentan entrecruzamiento, y por ello se clasifica como termofijo. [2]

F igur a N° 01.E structura química de la baquelita. [2]

3



2.2.1. Síntesis de la baquelita Su síntesis se realiza a partir de moléculas de fenol y formaldehído en proporción 2 a 3: el formaldehído sirve de puente entre moléculas de fenol, perdiendo su oxígeno por sufrir dos condensaciones sucesivas, mientras que las moléculas de fenol pierden dos o tres de sus átomos de hidrógeno, en patrones de sustitución en hidrocarburos aromáticos, de forma que cada formaldehído conecta con dos fenoles, y cada fenol con dos o tres formaldehídos, dando lugar a entrecruzamientos. En exceso de fenol, la misma reacción de condensación da lugar a polímeros lineales en los que cada fenol sólo conecta con dos formaldehídos.[3]

F igura N° 02. E structura química de la Baquelita. [3]

2.2.2. Tipos de baquelita Los diversos tipos de baquelita son: 







Baquelita A: Es el producto inicial de la condensación, es fusible a 55 – 60°C; es soluble en solventes comunes: alcohol etílico, glicerina, bencina, acetona, toluol, etc.; tiene el aspecto de masa amorfa, resinosa y fracturas vítreas de color amarillento más o menos claro. Baquelita B: Es un producto intermedio frágil en estado seco, elástico en caliente y parcialmente soluble, capaz de ablandarse con el calor y pasar al estado plástico. Prolongando el calentamiento se pasa a la baquelita C. Baquelita C: Es infusible, insoluble en los solventes ordinarios; inalterable a la acción del agua, del aceite, de los gases, de la irradiación solar y tiene apreciable propiedades mecánicas y eléctricas. Materiales aislantes de papel baquelizado: Tienen óptima calidad aislante y buenas características mecánicas también a la temperatura de funcionamiento de las máquinas eléctricas. Poseen buena resistencia a los agentes químicos y se trabajan mediante los procesos comunes en máquinas herramientas.

2.2.3. Aplicaciones de la baquelita Las baquelitas encuentran su principal aplicación en los sectores que requieren un buen comportamiento frente al fuego y altas temperaturas, interiores de medios de 4



transporte, aviones o trenes. Utilizadas también como recubrimiento para adhesivos, como solvente, carga, en la producción de pigmentos, plastificantes, endurecedores, resinas de intercambio iónico, resinas de moldeo, resinas para recubrimientos y barnices, aditivos, aglomerados para madera, papel, carbón, polvo abrasivo, bloques, etc. [4]

2.2.4. Propiedades físico y químicas de la baquelita Entre sus principales propiedades se encuentra:           

 



su elevada resistencia a la temperatura buena resistencia al fuego resistencia a la abrasión excelentes características eléctricas buena resistencia a agentes químicos estabilidad dimensional buena adhesión a otras matrices termoestables resistencia al choque. Elevada rigidez dieléctrica Elevado poder aislante y gran resistencia a la humedad Resistente al alcohol, tetracloruro de carbono, hidrocarburos aromáticos y petróleo Difícilmente inflamable Entrecruzamiento de la estructura molecular lo que lo hace un polímero termoestable Olor característico, debido al formaldehído, apreciable cuando la baquelita toma una cierta temperatura. [4] Tabla N°02. Propiedades físicas, mecánicas, térmicas y eléctricas [5]

5



2.3.Mecanismo de la termo-oxidación de la baquelita 2.3.1. Degradación termoxidativa o autoxidación Consiste en el ataque del oxígeno activo sobre el polímero; el oxígeno origina radicales libres en el polímero, que pueden dar todo tipo de reacciones secundarias degradativas. En general, los polímeros con carbonos terciarios son los menos resistentes al oxígeno radicalario debido a la reactividad de los carbonos arílicos y terciarios. [6] Es interesante destacar la velocidad a la que se produce la oxidación. Es lenta cuando se realiza a temperatura ambiente, siempre que el material no haya sufrido otro tipo de deterioro previo. La razón está en que la producción de radicales libres (iniciadores del proceso) es lenta. En cualquier caso, la velocidad de producción de estos radicales se ve muy influenciada por la historia térmica del material, es decir, por los procesos que haya sufrido anteriormente (sobre todo por el proceso de fabricación). [7] Una vez formado los radicales libres (etapa de iniciación) la oxidación tiene lugar a través de un mecanismo de cadena. En una representación del oxígeno absorbido frente al tiempo, se podría observar como en un primer y largo periodo la concentración del oxígeno es muy baja, pero en el momento en que se crean los radicales libres, la concentración del oxígeno absorbido por el material se incrementa rápidamente. Al añadir antioxidantes a una muestra lo que se pretende es aumentar el periodo inductivo o de incubación el mayor tiempo posible este periodo se conoce como el tiempo de vida útil del material. El conocimiento de este periodo es muy importante en cuanto al uso tecnológico que se le puede dar. [7]

2.3.2. Mecanismo de la termoxidación El mecanismo térmico de la degradación del plástico se produce a través de la formación de radicales libres. Consta de las etapas de iniciación, propagación y terminación, en el cual las reacciones de abstracción de hidrógeno ocupan un papel esencial en las diferentes etapas que componen el proceso. a) Iniciación  −  →  • + •

b) Propagación  • +  →  •  • +  →  +  •

6



 →  • + •   • +  →  +  •  • +  →  • +  

c) Terminación  • + • →  +   +  •  • + •  • + •

2

En la iniciación se da la rotura inicial del polímero dando lugar a los radicales primarios que pueden contener varios átomos de carbono y puede desarrollarse en enlaces C – C débiles de la cadena, en impurezas.[8] En la etapa de propagación pueden ocurrir varias reacciones, una de ellas es que se produzca una rotura del radical primario formado en la etapa inicial que conduce a la obtención del monómero constituyente del material degradado y generar un nuevo radical, el cual debe estabilizarse, proceso que se lleva a cabo mediante la transferencia de hidrógeno. Esta transferencia puede ser inter o intra molecular. [8] Las reacciones de formación de monómeros así como la de transferencia de hidrógenos que aparecen en esta etapa de propagación están influenciadas por factores como la temperatura o la presión, también por la cantidad de hidrógenos presentes en la molécula. [8]

III.

MATERIALES Y EQUIPOS

3.1. MATERIALES -

9 probetas de polímero baquelita (3cm x 3cm) Sierra para cortar Guantes de látex Paño para limpiar

3.2 EQUIPOS: -

Microscopio ZEISS, Axiocam ERc 5s Balanza analítica de 4 dígitos, AND HW Kessel, precisión: 0,0001gr Estufa

7


IV. -

-

V.


PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Fabricar 9 probetas de polímero baquelita de dimensiones 3 cm x 3 cm. Limpiar las probetas con un paño utilizando guantes de látex para no ensuciar las probetas. Codificar y pesar en la balanza analítica cada probeta, anotando los pesos iniciales(Wi). Instalar las 9 probetas pesadas en la estufa a temperatura de 100°C. Retirar 3 probetas a los 20 ,40 y 60 min y dejar enfriar. Luego fotografiar y pesar, anotando los pesos finales (Wf). Se realizará la observación de las probetas de baquelita en el microscopio Zeiss Axiocam ERc 5s. En todos los casos se emplearán los mismos aumentos (1X,2X,4X) Elaborar el informe técnico. RESULTADOS Y DISCUSIONES

a) Características superficiales de la baquelita visualmente Tabla N 03º: Descripción de la percepción visual de degradación de las probetas de baquelita a 100 ºC.

TIEMPO

EVIDENCIAS DE LA DEGRADACION

(Minutos)

Forma física

Color

Olor

0

Forma típica de una probeta de

Naranja obscuro y la

Sin olor

baquelita

parte posterior naranja claro

20

No hay cambios de forma visible

No hubo cambios

Sin olor

visibles

40

No hay cambios de forma visible

Extensión de zonas

Sin olor

más oscuras

60

-

No hay cambio de forma visible

La parte mas opaca se

Olor ligero a

No se arque ni pierde forma

oscureció mas

barniz

En la tabla N°03 el cambio de color es producido por la degradación de la baquelita al ser sometido a altas temperaturas y el olor parecido al barniz a una exposición de 60 min a 100°C se debe a que la baquelita es un polímero sintético termoestable elaborada a través del Fenol Formaldehído el cual emana ese olor cuando es calentado. Macroscópicamente casi no se observan cambios en el 8



polímero, pero microscópicamente se están produciendo transformaciones, ya que se van incorporando oxígenos que, conforme pasa el tiempo, provocan una disminución de propiedades del material.

b) Características superficiales de la baquelita a través del microscopio Axiocam ERc 5s (aumentos 1X,2X y 4X) 

Probetas de baquelita sin tratamiento

2x

4x

F igura N°03.probeta de baquelita 1X

F igura N°04.Probeta de baquelita 2X

F igura N° 05.Probeta de baquelita 4X -

En las imágenes micrográficas a diferentes aumentos de una probeta de baquelita sin tratamiento se aprecia la superficie de la baquelita, un poco rugosa y opaca, con rayaduras propias de manipulación al cortar, con un color naranja y partes más oscuras.

9





Probeta de baquelita sometida 100°C por 20 min (aumentos 1X,2X y 4X)

4X

F igura N°06. Mi crografía a 100°C por 20 min con un aumento 1X

F igura N° 07. Micrografía a 100°C por 20 min con un aumento 2X


-

En las imágenes micrográficas a diferentes aumentos de una probeta de baquelita sometida a 100°C por 20 min no se puede apreciar cambios significantes comparándolo con la probeta de baquelita sin tratamiento, esto se debe a que la baquelita tiene alta resistencia a las altas temperaturas y el tiempo que fue expuesto fue corto.

10






2X


F igura N°10. Micrografía a 100°C por 40 min con un aumento 2X


-

En las imágenes micrográficas a diferentes aumentos de una probeta de baquelita sometida a 100°C por 40 min se puede apreciar un oscurecimiento en algunas zonas de la probeta, también se observa pequeñas picaduras color verdoso, esto se debe al fenómeno de degradación de la baquelita.

11







F igura N°12. Micrografía a 100°C por 60 min con un aumento 2X


-

En las imágenes micrográficas a diferentes aumentos de una probeta de baquelita sometida a 100°C por 20 min se puede apreciar el cambio de coloración y el aumento considerable de picaduras color verdoso y el tamaño de los hoyuelos aumento por el fenómeno de la degradación de la baquelita.

12



c) Variación del peso en función del tiempo de la degradación termo-oxidativa de la baquelita a 100°C 0.014 60, 0.0127

0.012 40, 0.0105

0.01 20, 0.0087

) 0.008 g ( W 0.006 0.004 0.002 0 0

20

40

60

80

Tiempo (min)

Figura N°15. Vari ación del peso en función del tiempo (20 min .40 min ,60 min) de la baquelita a 100°C. [F uente propia] -

En la gráfica N°15 muestra la variación del peso en función del tiempo (20 min .40 min ,60 min) de la baquelita a 100°C. Se observa que, al aumentar el tiempo de exposición a 100 °C, aumenta la variación de peso de forma parabólica. Esto muestra que la probeta se está degradando y pierde su peso por la descomposición irreversible debido al calor y como consecuencia hay una perdida de propiedades en el material. La perdida de masa es mínima ya que el tiempo de exposición al calor fue corto.

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VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1.CONCLUSIONES -

-

En la probeta de baquelita a 40 y 60 minutos de tiempo de exposición a 100°C se observó visualmente un pequeño cambio de color en la baquelita. En las imágenes observadas en el microscopio se observó la degradación termoxidativa de la baquelita con la formación de picaduras en su superficie que fueron incrementando con el tiempo. En la gráfica de la variación del peso en función del tiempo de la degradación termo-oxidativa de la baquelita a 100°C se demostró la degradación a través del análisis gravimétrico.

6.2.RECOMENDACIONES - Las probetas dentro del horno deben tener una ubicación y una distancia apropiada una de otra, para que el flujo de calor se conduzca a todas las áreas por igual. - Es recomendable usar guantes de protección personal de cuero, para sacar las probetas del horno. - Realizar las respectivas calibraciones en la balanza analítica para minimizar variaciones en las mediciones. VII.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Classle (2014). Polymer degradation. [2] Baquelita [online]. Fecha de consulta 28 de mayo del 2018. Disponible en:https://es.wikipedia.org/wiki/Baquelita [3] Morcillo, Jesús (1989). Temas básicos de química (2.ª edición ). Alhambra Universidad. p. 628. [4] Información Técnica y Comercial de la Baquelita (2018). Fecha de consulta 28 de mayo del 2018. Disponible online:https:// www.cosmos.com.mx/wiki/baquelita4r0r.html técnica de la Baquelita [5] Ficha http://colpolimeros.com/ficha-tecnica-bakelita/

(2015).

Disponible

online

[6] “Tiempo de degradación de un polímero” [On line]. Fecha de consulta: 28 de mayo del 2018. Disponible en: https://curiosoando.com/cuanto-tarda-en-degradarse-una bottella-de-plastico [7] OTERO, E. (1997). “Corrosión y Degradación de Materiales”. P edición Editorial Síntesis. Madrid

14



[8]Ammala.A (2011). An overview of degradable and biodegradable polyolefins . Progress in PolymerScience . [9]Dr. Mario Carranza (2010).” Nada es para siempr e”. Química de la degradación de los materiales “Argentina.

VIII.

ANEXOS

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ANEXOS

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8.1.TABLAS AUXILIARES a) Datos de la variación de peso en función del tiempo de la degradación termooxidativa de la baquelita a 100°C Tabla N°04. Variación de peso de probetas de baquelita a 20 min

PROBETAS B-1a B-1b B-1c

Wi (g) 2.1437 2.1861 2.1445

Wf (g) 2.1347 2.1776 2.1359

W(g) 0.0090 0.0085 0.0086

Tabla N°05. Variación de peso de probetas de baquelita a 40 min


Wi (g) 2.2792 2.2079 2.2071

Wf (g) 2.2684 2.1975 2.1968

W(g) 0.0108 0.0104 0.0103

Tabla N°06. Variación de peso de probetas de baquelita a 60 min


Wi (g) 2.1098 2.1692 2.1938

Wf (g) 2.0975 2.1565 2.1806

W(g) 0.0123 0.0127 0.0132

b) Variación de peso en función del tiempo (20 min ,40 min ,60 min) de la degradación termo-oxidativa de la baquelita a 100°C. Tabla N°07. Variación de peso promedio en funci ón del tiempo de la baquelita a 100°C. [F uente propia]

PROBETAS(prom) B-1 B-2 B-3

TIEMPO(min) 20 40 60

W 0.0087 0.0105 0.0127

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8.2.FOTOS COMPLEMENTARIAS

F igura N°16. Microscopio Axiocam E Rc 5s

F igura N° 17.Pesado inicial de probetas de baquelita

F igura N°18. Codifi cación y apunte de datos

18


F igura N° 19.L impieza de probetas

F igura N°21.Probetas en la estufa a 100 °C.


F igura N°20.Ubicacion de probetas para colocar en la estufa

F igura N° 22.Probetas sacadas de la estufa.

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F iguras N° 23 y N° 24: Observación en el microscopio de las probetas de baquelita.

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8.3.Procedimiento de operación del microscopio Axiocam ERc 5s – ZEIS -

Encender el ordenador. Encender el microscopio mediante el interruptor ON/OFF. Colocar la muestra al microscopio sobre una superficie limpia y plana. Limpiar cualquier residuo en la superficie que pueda dañar el microscopio. Comenzamos a utilizar con el programa SEM el microscopio tiene para trabajar con materiales traslucidos(transparentes) y no translucidos.

F igur a N° 25.Ubicacion en el ordenador del programa SE M

-

Luego con la función M enciende los focos superiores e inferiores. Utilizaremos no translucidos (ya que la baquelita es no translucida) para poder observar la muestra. Después para enfocar utilizamos la perilla de acuerdo a los aumentos (1x ,2x, 3x, 4x) y si necesitan más claridad se van a al programa de función a “auto exposición”. Luego seleccionar la función LIVE para mirar la micrografía de la probeta.

F igura N°26.funcion LI VE en el programa SE M.

21


-


Después se da la opción “SNAP “para capturar la imagen de la micrografía.

F igur a N° 27.Captura de la imagen

-

Luego seleccionar “Save

Selectec As ” para guardar la imagen, es importante guardar la imagen en JPEG files (*.jpg) para poder visualizarlo después en el ordenador.

F igura N° 28. G uardado de la imagen micrográfica de la baquelita. 22

Degradación Termo-oxidativa de La Baquelita

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