ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA “MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
BOLIVIA PETROQUIMICA
RESINAS ABS PARA LA ELABORACION DE PLASTICOS
ESTUDIANTE: PEDRO RODRIGO CHAVEZ MENDOZA CODIGO: S 5147-0 DOCENTE: MARIA EUGENIA LLADO
SANTA CRUZ DE LA SIERRA, 2017
Contenido
INTRODUCCION ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... ................................................................................................................ ............................................ 1 Objetivo general ................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................ 1 ESTUDIO DE MERCADO ......................................................................................................... ................................................................................................................. ........ 1 Aspectos Internacionales del mercado de ABS ............................................................................. ............................................................................. 1 Capacidad Instalada a Nivel Mundial ............................................................................................ ............................................................................................ 1 Consumo Aparente de ABS ........................................................................................................... 2 Segmentación del Consumo............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 2 Análisis Nacional del Mercado del ABS ......................................................................................... ......................................................................................... 2 Consumo Aparente ............................................................... ....................................................................................................................... ........................................................ 2 Segmentación del Consumo............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 3 1. RESINAS ABS .................................................................................. .............................................................................................................................. ............................................ 3 1.1. Generalidades .................................................................................................................... .................................................................................................................... 4 1.2. Características de la materia prima................................................... prima.................................................................................... ................................. 5 1.3. Propiedades................................................................. ........................................................................................................................ ....................................................... 5 2. OBTENCION DE ABS........................................................... ................................................................................................................. ...................................................... 10 2.1. PROCESOS EXISTENTES PARA P ARA LA OBTENCION DEL ABS ................................................... 11 2.2. Proceso polimerización en Emulsión ........................................................... ............................................................................... .................... 11 2.3. Proceso polimerización en Masa............................................ Masa...................................................................................... .......................................... 13 2.4. Proceso polimerización en Masa – Masa – S Suspensión uspensión ............................................................... 15 ............................................................................................................... 16 MARCO PRÁCTICO ................................................................................................................ 3. UBICACION .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 17 4. SELECCIÓN DEL PROCESO............................................................. ........................................................................................................ ........................................... 17 4.1. POLIMERIZACION POL IMERIZACION EN EMULSION .................................................................... ..................................................................................... ................. 17 4.2. Diagrama de flujo ............................................................................................................. ............................................................................................................. 18 4.3. Diagrama del Proceso....................................................................................................... Proceso....................................................................................................... 18 5. DESCRIPCION DEL PROCESO......................................................... .................................................................................................... ........................................... 19 5.1. Reactor de Polimerización del butadieno: ....................................................................... ....................................................................... 19 5.2. Reactor látex del ABS: ...................................................................................................... ...................................................................................................... 19 5.3. Coagulador: ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 20 5.4. Filtración, Fi ltración, secado y Separador: ............................................................................... ........................................................................................ ......... 20
Contenido
INTRODUCCION ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... ................................................................................................................ ............................................ 1 Objetivo general ................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................ 1 ESTUDIO DE MERCADO ......................................................................................................... ................................................................................................................. ........ 1 Aspectos Internacionales del mercado de ABS ............................................................................. ............................................................................. 1 Capacidad Instalada a Nivel Mundial ............................................................................................ ............................................................................................ 1 Consumo Aparente de ABS ........................................................................................................... 2 Segmentación del Consumo............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 2 Análisis Nacional del Mercado del ABS ......................................................................................... ......................................................................................... 2 Consumo Aparente ............................................................... ....................................................................................................................... ........................................................ 2 Segmentación del Consumo............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 3 1. RESINAS ABS .................................................................................. .............................................................................................................................. ............................................ 3 1.1. Generalidades .................................................................................................................... .................................................................................................................... 4 1.2. Características de la materia prima................................................... prima.................................................................................... ................................. 5 1.3. Propiedades................................................................. ........................................................................................................................ ....................................................... 5 2. OBTENCION DE ABS........................................................... ................................................................................................................. ...................................................... 10 2.1. PROCESOS EXISTENTES PARA P ARA LA OBTENCION DEL ABS ................................................... 11 2.2. Proceso polimerización en Emulsión ........................................................... ............................................................................... .................... 11 2.3. Proceso polimerización en Masa............................................ Masa...................................................................................... .......................................... 13 2.4. Proceso polimerización en Masa – Masa – S Suspensión uspensión ............................................................... 15 ............................................................................................................... 16 MARCO PRÁCTICO ................................................................................................................ 3. UBICACION .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 17 4. SELECCIÓN DEL PROCESO............................................................. ........................................................................................................ ........................................... 17 4.1. POLIMERIZACION POL IMERIZACION EN EMULSION .................................................................... ..................................................................................... ................. 17 4.2. Diagrama de flujo ............................................................................................................. ............................................................................................................. 18 4.3. Diagrama del Proceso....................................................................................................... Proceso....................................................................................................... 18 5. DESCRIPCION DEL PROCESO......................................................... .................................................................................................... ........................................... 19 5.1. Reactor de Polimerización del butadieno: ....................................................................... ....................................................................... 19 5.2. Reactor látex del ABS: ...................................................................................................... ...................................................................................................... 19 5.3. Coagulador: ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 20 5.4. Filtración, Fi ltración, secado y Separador: ............................................................................... ........................................................................................ ......... 20
6. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS.................................................................. ...................................................................................... .................... 21 6.1. Reactores:.................................................................... ......................................................................................................................... ..................................................... 21 7. PROCESO DE MOLDEO POR INYECCIÓN DEL PLÁSTICO .......................................................... 21 7.1. Desarrolla el proceso de moldeo por inyección del plástico plástic o ........................................... 22 7.2. Esquema del proceso de moldeo por inyección .............................................................. 22 7.3. SISTEMAS DE CAMBIO RÁPIDO DE MOLDES .................................................................... .................................................................... 23 7.3.1. Aceleración del moldeo por inyección del plástico ................................................... 23 8. USOS Y APLICACIONES DEL ABS .............................................................................................. .............................................................................................. 23 8.1. Piezas de automóviles (tableros, paragolpes, etc.) .......................................................... 23 8.2. Electrodomésticos ............................................................................. ............................................................................................................ ............................... 24 8.3. Máquinas de oficina, carcasas de ordenadores y teléfonos. ........................................... ........................................... 24 8.4. Otros Usos .................................................................................................... ........................................................................................................................ .................... 24 10. Evalución Económica ................................................................... ............................................................................................................. .......................................... 26 10.1. Valor Actual Ac tual Neto (VAN) .................................................................. ................................................................................................. ............................... 26 11.1. Tasa Interna de Retorno (TIR) ........................................................................................ 26 12. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 1 13. Recomendaciones ................................................................................................................... ................................................................................................................... 1 14. Biografía .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 1
MARCO TEORICO
INTRODUCCION Los plásticos se obtienen a partir de las resinas, las mismas llevándola a temperaturas y presiones altas. Los plásticos a partir de las resinas son utilizados bastante en la industria automovilística, eléctrica, juguetes y otros. El siguiente trabajo describe la obtención de resinas ABS para la fabricación de piezas plásticas para automóviles, así mismo este estudio revelara si el proyecto será rentable o no.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS - Determinar las características de la localidad para la instalación de la fábrica. - Conocer el proceso de la obtención de la resina ABS - Realizar una evaluación económica y financiera del proyecto.
Objetivo general El presente trabajo tiene como objetivo general describir y profundizar en el tema de las resinas ABS, describiendo sus reacciones de obtención, su uso y aplicación en la industria, para así poder obtener como resultados plásticos utilizados para la fabricación de juguetes y piezas de automóviles.
ESTUDIO DE MERCADO Aspectos Internacionales del mercado de ABS Capacidad Instalada a Nivel Mundial La capacidad instalada hasta 2015, a nivel mundial, hay cuatro regiones donde se concentran, en conjunto, el 75% de la capacidad mundial para generar ABS, es decir, 2.6 millones de toneladas por año. Actualmente, el material se cotiza en el mercado mundial a razón de US$0.65 por libra, precio que puede variar dependiendo de la calidad y grado del material. La empresa productora de ABS con la mayor capacidad instalada a nivel mundial es General Electric, pero no tenemos el dato exacto. En Estados Unidos tres empresas dominan la producción de ABS: General Electric (350,000 ton.), Monsanto (260,000 ton.) y Dow Chemical (150,000 ton.). En Europa Occidental hay varias empresas que incluyen Basf, Bayer, General Electric Plastics y DSM. En Japón se cuenta con diez empresas productoras de ABS 1
Región Estados Unidos Europa Occidental Japón Asia y Pacifico Europa del Este Latinoamérica Canadá África y Oriente Medio Total Mundial
Capacidad Ton)
(M
%
760 700 595 550 450 215 70
22 21 18 16 13 6 2
52
2
3392
100
Consumo Aparente de ABS El mayor consumidor de ABS en el mundo son los Estados Unidos, que tan solo en2015 requirieron poco más de 500,000 toneladas. Este mercado muestra un crecimiento anual sostenido del 4.6%, por lo que se espera que a finales de 2016 se hayan consumido solo en EUA 580,000 toneladas. Los siguientes más grandes consumidores son Europa Occidental y Japón, cuyos mercados muestran un crecimiento del 4.7% anual. Baste decir que solo estos tres mercados, junto con el de China y Taiwán consumen el 70% de la producción mundial (Alrededor de 1.8 millones de toneladas).
Segmentación del Consumo Los principales sectores de consumo de ABS son, en orden decreciente de importancia: Electrodomésticos Automotriz Aplicaciones en equipos eléctricos y electrónicos Otros
Análisis Nacional del Mercado del ABS Consumo Aparente Entre 2009-2013 la demanda interna ha mostrado fluctuaciones. Los descensos mostrados después de 2009 se deben sobre todo al deficiente conocimiento del material por parte de los transformadores en el procesamiento de este plástico, aunado a la escasa divulgación que hasta 2012 se había realizado.
2
Segmentación del Consumo El sector automotriz representó el 58% del total en 2013, lo que significó un descenso respecto al año anterior, donde su participación fue del 62%. Sin embargo se espera que este sector incremente su consumo en una tasa del 15 al 18% anual, debido a los planes de expansión de las fábricas, con miras al mercado de exportación. Este es un sector de exigencias muy altas en las especificaciones de sus materias primas, por lo que el abastecimiento se centrará en aquellas empresas que puedan producir materiales de alta calidad. El siguiente sector es el de los electrodomésticos, con 23%. Este ramo continúa creciendo a un ritmo moderado del 3% anual, debido a su relación directa con el comportamiento de la economía nacional. Sin embargo, en lo que se refiere a equipos electrónicos, se espera un crecimiento en la demanda de un 9% anual. Los juguetes al igual que en el sector automotriz, estas aplicaciones exigen cada vez más resinas de una excelente calidad en lo que se refiere a especificaciones técnicas como: Brillo, fluidez y resistencia al impacto.
SECTOR Automotriz Electrodomésticos juguetes Cables Eléctricos Tubería partes industriales TOTAL
2013 Toneladas año
2015 Toneladas año
1500 400 600 500 1400 1100 5500
2400 600 750 620 2000 1900 8270
1. RESINAS ABS El ABS es el nombre dado a una familia de termoplásticos. El acrónimo deriva de los tres monómeros utilizados para producirlo: acrilonitrilo, butadieno y estireno. Las primeras formulaciones se fabricaban a través de la mezcla mecánica de, o los ingredientes secos, o la mezcla del látex de un caucho basado en butadieno y la resina del copolímero acrilonitrilo-estireno (SAN). Aunque este producto tenía buenas propiedades comparado con otros materiales disponibles en aquellos años, tenía varias deficiencias entre las que se puede contar una mala capacidad para ser procesado así como también una falta de homogeneidad. 3
Poliacrilonitrilo
Polibutadieno
Poliestireno
Para mejorar sus propiedades se fueron incorporando modificaciones en el proceso. El más exitoso de estos consistió en la polimerización del acrilonitrilo – estireno en presencia del caucho. El caucho en un principio tenía un alto contenido en acriolonitrilo y fueron reemplazados por otros con bajo contenido como el polibutadieno, el caucho natural, el caucho estireno butadieno y elastómeros acrílicos. En la actualidad el ABS se produce, preponderantemente, por medio de la polimerización del estireno y el acrilonitrilo en presencia de polibutadieno, quedando como producto una estructura de polibutadieno, conteniendo cadenas de SAN (estireno acrilonitrilo) injertados en él.
1.1. Generalidades El acrilonitrilo Butadieno Estireno o ABS es un termoplástico duro, resistente al calor y a los impactos. Es un copolimero obtenido de la polimerización del estireno y acrilonitrilo en la presencia del polibutadieno, resultando de la combinación de los tres monómeros, originando un plástico que se presenta en una gran variedad de grados dependiendo de las propiedades utilizadas de cada uno. El ABS se originó por la necesidad de mejorar algunas propiedades del poliestireno de alto impacto. Su fórmula química es (C8H8-C4H6-C3H3N)n Al combinar los tres monómeros por injerto, cada uno de ellos aporta diferentes propiedades: El Acrilonitrilo proporciona la estabilidad térmica, resistencia química y al envejecimiento, lo mismo que la dureza superficial. El Butadieno proporciona resistencia al impacto, retención de propiedades a bajas temperatura y tenacidad.
4
El estireno contribuye con brillo, rigidez y facilidad de procesamiento.
El rango de composición de estos materiales se relaciona de la siguiente manera: Acrilonitrilo: 25 - 35% Butadieno: 15 - 30% Estireno: 45 - 55% Evidentemente, las diferentes proporciones en que se combinan los tres monómeros son las que determinan los distintos grados de ABS que existen, diseñados en ocasiones para aplicaciones muy específicas. Todos los grados de ABS poseen una excelente calidad superficial y brillo, buenas propiedades aislantes, gran resistencia al impacto, estabilidad dimensional y baja deformación a temperaturas elevadas.
1.2. Características de la materia prima
Acrilonitrilo: El acrilonitrilo es un líquido sintético, incoloro, de olor penetrante parecido al de la cebolla o al ajo. Puede disolverse en agua y se evapora rápidamente. Presenta las siguientes características: Resistencia química, dureza y rigidez y resistencia a la fusión Poli (Butadieno): El 1,3-butadieno es un alquenos que se produce en la destilación del petróleo. Es un gas incoloro de olor levemente parecido a la gasolina. Este polímero presenta las siguientes propiedades: Resistencia al impacto y resistencia a la fusión. Estireno: Es un líquido incoloro de aroma dulce que se evapora fácilmente. El estireno es apolar, y por tanto se disuelve en algunos líquidos orgánicos, pero no se disuelve muy fácilmente en agua. Propiedades: Facilidad de procesado (fluidez), Brillo, Dureza y Rigidez.
1.3. Propiedades Los materiales de ABS tienen importantes propiedades en ingeniería, como buena resistencia mecánica y al impacto combinado con facilidad para el procesado. La resistencia al impacto de los plásticos ABS se ve incrementada al aumentar el porcentaje de contenido en butadieno pero disminuyen entonces las propiedades de resistencia a la tensión y disminuye la temperatura de deformación por calor. El amplio rango de propiedades que exhibe el ABS es debido a las propiedades que presentan cada uno de sus componentes. 5
El acrilonitrilo proporciona:
Resistencia térmica
Resistencia química
Resistencia a la fatiga
Dureza y rigidez
El butadieno proporciona:
Ductilidad a baja temperatura
Resistencia al impacto
Resistencia a la fusión
El estireno proporciona:
Facilidad de procesado (fluidez)
Brillo
Dureza y rigidez
Excepto en películas delgadas, es opaco y puede ser de color oscuro o marfil y se puede pigmentar en la mayoría de los colores, obteniéndose partes lustrosas de acabado fino. La mayoría de los plásticos ABS son no tóxicos e incoloros. Pueden ser extruidos, moldeados por inyección, soplado y prensado. Generalmente los grados de bajo impacto son los que más fácil se procesan. Los de alto impacto son más dificultosos porque al tener un mayor contenido en caucho los hace más viscosos. A pesar de que no son altamente inflamables, mantienen la combustión. Hay algunos tipos auto extinguible para cuando se requiere algún producto incombustible, otra solución consiste en aplicar algún retardante de llama. Dentro de una variedad de termoplásticos el ABS es importante por sus balanceadas propiedades. El ABS se destaca por combinar dos propiedades muy importantes como ser la resistencia a la tensión y la resistencia al impacto en un mismo material, además de ser un material liviano. Resistencia a la
Alta 6
abrasión Permeabilidad
Todos los grados son considerados impermeables al agua, pero ligeramente permeables al vapor.
Propiedades relativas a fricción
No los degradan los aceites son recomendables para cojinetes sometidos a cargas y velocidades moderadas
la
Estabilidad dimensional
Es una de las características más sobresalientes, lo que permite emplearla en partes de tolerancia dimensional cerrada. La baja capacidad de absorción de la resina y su resistencia a los fluidos fríos, contribuyen a su estabilidad dimensional
Pigmentación
La mayoría de estas resinas, están disponibles en colores estándar sobre pedido, se pueden pigmentar aunque requieren equipo especial.
Facilidad unión
de
Se unen fácilmente entre sí y con materiales plásticos de otros grupos mediante cementos y adhesivos
Cap. absorción
de Baja
Propiedades ambientales
La exposición prolongada al sol produce una capa delgada quebradiza, causando un cambio de color y reduciendo el brillo de la superficie y la resistencia a la flexión. La pigmentación en negro provee mayor resistencia a la intemperie
Resistencia química
Generalmente buena aunque depende del grado de la resina, de la concentración química, temperatura y esfuerzos sobre las partes. En general no son afectadas por el agua, sales inorgánicas, álcalis y por muchos ácidos. Son solubles en ésteres, acetona, aldehídos y en algunos hidrocarburos clorados
Formado
Se adaptan bien a las operaciones secundarias de formado. Cuando se calientan, los perfiles extruidos, se pueden doblar y estampar.
Facilidad maquinado
de
Sus características son similares a las de los metales no ferrosos, se pueden barrenar, fresar, tornear, aserrar y troquelar 7
Acabados superficiales
Pueden ser acabados mediante metalizado al vacío y electro plateado
Resistencia a la Se presenta para cargas cíclicas o permanentes mayores a fatiga 0.7 Kg mm2 Recocida
Se mantiene 5° C arriba de la Temp. de distorsión durante 2 a 4 h.
Prop. físicas Densidad / Gravedad específica -73°F ---
Densidad aparente Velocidad de Fundido 220°C/10,0 kg 220°C/10,0 kg
Valor Típico
Unidad
Método de Ensayo
g/cm³ lb/in³ g/cm³ g/cm³
ASTM D792 ISO 1183 ISO 1183 2 ASTM D1505 ASTM D1895
1,0 a 36 0,49 a 36
g/10 min g/10 min
ASTM D1238 ISO 1133
0,0793 a 2,52 1,36
in³/10min in³/10min
ISO 1133 ISO 1133 2
in/in in/in %
ASTM D955 ASTM D955 ISO 294-4
% % % % % % %
ASTM D570 ISO 62 ASTM D570 ISO 62 ISO 62 2 ASTM D570 ISO 62
1,03 a 1,11 1,04 a 1,11 0,0379 1,01 a 1,10 0,25 a 0,36
Caudal volumétrico de fusión (MVR) 220°C/10,0 kg --
Contracción de moldeo Flujo : 73°F Flujo Transversal : 73°F 73°F
4,5E-3 a 7,4E-3 3,7E-3 a 9,1E-3 0,48 a 0,71
Absorción de agua 24 hr, 73°F 73°F, 24 hr
Saturación, 73°F Saturación, 73°F Saturación Equilibrio, 73°F Equilibrio, 73°F, 50% RH
Prop. mecánicas
0,20 a 0,31 0,26 a 0,31 0,30 a 1,0 0,10 a 1,6 0,19 0,30 a 0,31 0,10 a 0,37
Valor Típico
Unidad
Método de Ensayo
Módulo de tensión 8
73°F
246000 a 410000
psi
ASTM D638
73°F
251000 a 400000
psi
ISO 527-2
311000
psi
ISO 527-2 2
Punto de Fluencia,73°F
4940 a 7420
psi
ASTM D638
Punto de Fluencia,73°F
5200 a 9210
psi
ISO 527-2
6030
psi
ISO 527-2 2
Rotura, 73°F
3830 a 7260
psi
ASTM D638
Rotura, 73°F
4190 a 6080
psi
ISO 527-2
73°F
4660 a 7750
psi
ASTM D638
73°F
5800 a 7030
psi
ISO 527-2
Punto de Fluencia,73°F
2,0 a 12
%
ASTM D638
Punto de Fluencia,73°F
1,8 a 3,6
%
ISO 527-2
5
%
ISO 527-2 2
Rotura, 73°F
1,0 a 57
%
ASTM D638
Rotura, 73°F
4,6 a 27
%
ISO 527-2
73°F
8,8 a 36
%
ISO 527-2
--
16 a 50
%
ISO 527-2 2
73°F
223000 a 417000
psi
ASTM D790
73°F
270000 a 415000
psi
ISO 178
73°F
7540 a 11800
psi
ASTM D790
73°F
7830 a 12500
psi
ISO 178
Punto de Fluencia, 73°F
7950 a 11200
psi
ASTM D790
Rotura, 73°F Coeficiente de fricción
7820 a 10600 0,080 a 0,46
psi
ASTM D790 ASTM D1894
--
Tensión
Punto de Fluencia
Elongación
Punto de Fluencia
Deformación por tracción nominal en rotura
Módulo de Flexión
Resistencia a la flexión
9
Inyección Temperatura de secado
Valor Típico
Unidad
164 a 193
°F
2,2 a 3,7
hr
7,5
hr
-2 a 1
°F
0,010 a 0,16
%
55 a 63
%
13
%
Temperatura de la tolva
158 a 473
°F
Temperatura de la parte trasera
337 a 473
°F
Temperatura de la parte central
372 a 475
°F
Temperatura de la parte delantera
381 a 485
°F
Temperatura de la boquilla
406 a 489
°F
Temp. de procesamiento (fusión)
407 a 501
°F
452
°F
120 a 160
°F
592 a 15500
psi
498 a 7670
psi
0,725 a 6540
psi
44 a 76
rpm
3,0 a 3,3
tons/in²
Tiempo de secado Tiempo de secado, máximo Dew Point Humedad máx. recomendada Tamaño de inyección recomendado Rectificado máx. recomendado
Temperatura de Masa Fundida (objetivo) Temperatura del molde Presión de inyección Presión de mantenimiento Contrapresión Velocidad del husillo Presión de cierre Amortiguación Profundidad de ventilación
0,125 a 0,375
in
1,80E-03
in
2. OBTENCION DE ABS Hay tres procesos comerciales para la manufactura del ABS:
Emulsión
Masa
Suspensión - masa
Las propiedades físicas del plástico ABS varía con el método de manufactura pero varía más con la composición. En general el proceso por emulsión se usa 10
para hacer materiales de resistencias de alto impacto y el proceso de masa son preferidos para materiales con menos resistencia al impacto.
2.1. PROCESOS EXISTENTES PARA LA OBTENCION DEL ABS Existen tres tipos de procesos de polimerización usados en la actualidad para la producción del ABS: emulsión, suspensión y en masa. Históricamente, los procesos en emulsión y suspensión son los que dominaban en el campo de la manufactura del ABS, pero es ahora el proceso en masa el que predomina, por los grandes volúmenes de material que pueden manejarse. Puesto que la polimerización en masa no ocurre en agua, tiene dos grandes ventajas operativas sobre los otros dos procesos:
El tratamiento de aguas residuales es mínimo. El consumo de energía por kilogramo de producto es menor, puesto que los procesos de drenado, secado y composición no existen.
Las desventajas son que el producto es menos flexible para su procesamiento posterior, complejidad mecánica del proceso y una conversión menos eficiente del monómero en polímero, es decir, que los materiales fabricados así requieren de un paso de volatilización de los monómeros antes de elaborar el producto final.
2.2. Proceso polimerización en Emulsión El proceso de polimerización en emulsión involucra dos pasos. Se produce un látex de caucho y luego se polimeriza el estireno y el acrilonitrilo en presencia del caucho para producir un látex de ABS. Este látex luego es procesado para aislar a la resina ABS. El látex de caucho es usualmente producido en reactores en batch. El caucho puede ser polibutadieno o un copolímero de 1,3 –butadieno y acrilonitrilo o estireno. El látex normalmente tiene un contenido entre un 30 a un 50% de polímero y el resto principalmente es agua. Los reactores para obtener polibutadieno pueden ser de acero inoxidable o de acero vidriado. La velocidad de reacción es limitada por la capacidad del encamisado de refrigeración para extraer calor y la reacción dura entre 12 y 24 hrs. En la figura se representa un proceso para obtener ABS en el cual el látex de caucho se forma a partir de polibutadieno.
11
Luego de producido el látex, es sujeto a una posterior polimerización en presencia de los monómeros estireno y acrilonitrilo para producir el látex de ABS. Este puede ser producido en batch, semicontinua o en reactores continuos. La reacción se realiza a 55-75° C a presión atmosférica en reactores de acero inoxidable o acero vidriado. El polímero ABS es recuperado a través de la coagulación del látex ABS. La coagulación es usualmente lograda por la adición de un agente ( CaCl 2, NaCl, H2SO4)al látex que desestabiliza la emulsión. La coagulación se hace a elevadas temperaturas (80-100°C). La pasta es luego desaguada por filtración o centrifugación. La resina húmeda es secada para obtener una en bajo contenido en humedad. El proceso de emulsión para hacer ABS se viene practicando desde principios de los años 50’s. Sus ventajas son la capacidad de producir ABS con un amplio
rango de composiciones. Especialmente con mayores contenidos en caucho que las que se puede lograr con otros métodos. La mezcla de los componentes y la transferencia del calor de reacción en una polimerización en emulsión es lograda con mayor facilidad debido a la baja viscosidad y las buenas propiedades térmicas del agua.
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Los requerimientos de energía son generalmente más grandes que para otros procesos debido a la energía usada para la recuperación del polímero. El proceso además tiene un gran gasto en tratamiento de aguas residuales de proceso por la cantidad de agua usada.
2.3. Proceso polimerización en Masa En el proceso de masa ABS la polimerización es conducida más que en agua en un monómero. Este proceso usualmente consiste en una serie de dos o más reactores continuos en el cual el caucho usado en este proceso es comúnmente una solución polimerizada de polibutadieno lineal (o un copolímero conteniendo estireno), aunque algunos procesos de masa utilizan una emulsión polimerizada ABS con un alto contenido en caucho. Si un caucho lineal es usado como alimentación para el proceso de masa, el caucho se vuelve insoluble en la mezcla de monómeros y el copolímero SAN (estireno-acrilonitrilo) que se forma en los reactores; este caucho que no solubiliza forma partículas discretas de caucho. Esto se llama inversión de fase porque se parte de una fase continua de caucho para pasar a una fase continua de SAN con partículas discretas de caucho inmersas en la matriz SAN. El injerto del SAN en las partículas de caucho ocurre como en el proceso de emulsión. Típicamente el proceso masa produce partículas más grandes (0.5 a 5 mm) que aquellas basadas en el proceso en emulsión (0.1 a 1 mm) y contiene oclusiones más grandes de polímero SAN. El recipiente de reacción incluye iniciadores de polimerización, agentes de cadena y otros aditivos. Diluyentes son a veces usados para reducir la viscosidad de la mezcla de monómero y polímero facilitando el proceso de la conversión. La mezcla de monómeros de acrilonitrilo y estireno en presencia del polibutadieno es polimerizada a través de un cambio de fase hasta aproximadamente un 30% de conversión bajo suficiente condiciones de corte para prevenir el entrecruzamiento del caucho.
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El jarabe prepolimerizado es bombeado a un polimerizador en masa donde la conversión es llevada hasta un 50 u 80%. Los polimerizadores en masa son operados continuamente a 120-180° C con tiempo de residencia de 1 – 5 h. El calor de polimerización es removido por evaporación, transferencia de calor a través de las paredes del reactor y calentamiento del monómero que va a ser cargado. Los vapores son condensados, reciclados y alimentan la corriente de monómeros que son cargados. Después de la reacción el polímero es bombeado a un evaporador donde los monómeros que no reaccionaron son removidos bajo aspiración a temperaturas de 150° C. Normalmente cerca del 530% de la corriente de alimentación es removida por no reaccionar y reciclada. El producto resultante es resina ABS y es luego pelletizada. El proceso de masa ABS fue originalmente adaptado del proceso para obtener poliestireno. Este proceso tiene dos ventajas inherentes sobre la polimerización por suspensión y por emulsión. Una es que el agua residual de tratamiento es mínima y otra es el ahorro de energía por evitar la etapa de separación y secado de la resina del agua de proceso. Otra ventaja es que produce ABS poco pigmentado, incluso algo traslucido, lo que reduce la concentración de colorantes necesarios. Generalmente es más eficiente a modificaciones por impacto que el realizado por emulsión, sin embargo, la cantidad de caucho que se puede incorporar está limitada por limitaciones del proceso respecto a la viscosidad. El brillo superficial es menor debido a que las partículas de caucho son mayores.
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2.4. Proceso polimerización en Masa – Suspensión El proceso de suspensión utiliza una reacción en masa para producir una mezcla en la que hay material parcialmente convertido en polímero y monómeros y luego emplea una técnica de reacción en suspensión para completar la polimerización. Este es un proceso de tipo batch. La reacción en masa es igual que la que se describió para el proceso en masa. Se usa un caucho lineal, y las partículas de caucho que se forman durante la inversión de fase son similares. Cuando la conversión del de los monómeros es aproximadamente de un 15 a un 30%, la mezcla de polímeros y monómeros que no reaccionaron son suspendidos en agua con la introducción de un agente de suspensión. La reacción es continuada hasta que un gran grado de conversión de monómeros es alcanzado. Los monómeros que no reaccionaron son separados antes de que el jarabe se centrifugue y seque. La morfología y propiedades de la suspensión son similares a aquellas que se obtienen el proceso de polimerización en masa pero con las ventajas de la técnica en emulsión respecto a la baja viscosidad y la capacidad del agua de remover el calor.
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MARCO PRÁCTICO
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3. UBICACION
Ubicada en el departamento de Santa Cruz de la sierra en el Km 22 al norte, en la carretera Santa Cruz-Warnes.
4. SELECCIÓN DEL PROCESO Una comparación de los tres procesos de obtención de ABS dio como resultado que la Copolimerización por injerto presenta una mejor compatibilización y una distribución más homogénea entre las fases. Se obtiene por polimerización en emulsión de SAN en presencia de polibutadieno. El producto resultante es un injerto de SAN en la cadena principal del polibutadieno en forma de látex, con características de alto brillo, excelente impacto, resistencia la tensión, fluidez y altos módulos
4.1. POLIMERIZACION EN EMULSION El proceso por emulsión consiste de tres polimerizaciones diferentes. Se prepara un látex sustrato de polibutadieno; el estireno y el acrilonitrilo se injertan en este sustrato de polibutadieno; y se produce el copolímero de estireno-acrilonitrilo. Las dos últimas reacciones se pueden efectuar de forma simultánea en el mismo reactor, o bien en reactores separados con mezclado subsecuente del látex.
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4.2. Diagrama de flujo
4.3. Diagrama del Proceso
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5. DESCRIPCION DEL PROCESO 5.1. Reactor de Polimerización del butadieno: El sustrato de polibutadieno se prepara mediante reacciones en emulsión por lotes, lo mismo como homopolímero que como copolímero, con un 35% de estireno o de acrilonitrilo. Las temperaturas de reacción varían entre 5 y 70°C, dependiendo del tipo de estructura que se desea para el polímero. Se utilizan iniciadores de radicales libres solubles en agua o sistemas de iniciación redox para activar la reacción. Un ejemplo de formulación del tipo redox es el siguiente: Las soluciones de iniciador (hidroperóxido de cumeno), los activadores (pirofosfato de sodio, dextrosa y sulfato ferroso) y el emulsificador (oleato de sodio) se preparan por separado y se agregan al reactor que se ha purgado previamente de oxígeno. Entonces se agregan el agua desmineralizada y el butadieno, se aumenta la temperatura y comienza el ciclo de reacción. Las reacciones se efectúan en recipientes con corazas de enfriamiento por agua, para remover el calor generado por la polimerización y están diseñados para soportar presiones por encima de los 1000 kPa (10 atm). La capacidad varía entre 13 y 30 m3 y pueden ser de acero inoxidable o de acero con recubrimiento de vidrio en el interior. La tasa de reacción está limitada solo por la eficiencia de la coraza de enfriamiento para eliminar el calor de la reacción de polimerización (1278 J/g), mientras que los tiempos de reacción oscilan entre 12 y 24 horas. El tamaño promedio de las partículas de látex depende de las cantidades de emulsificador y de monómero y de la fuerza iónica del medio de reacción.
5.2. Reactor látex del ABS: En el siguiente paso del proceso por emulsión, se injertan el estireno y el acrilonitrilo En el sustrato de polibutadieno. La cantidad de sustrato que se utilice en la reacción de injertado queda determinado por las propiedades físicas que se deseen obtener del polímero final, pero comúnmente están en un rango de 10 a 60% en peso del polímero total. Para los polímeros de ABS con alto contenido de polibutadieno, el injerto generalmente se mezcla mecánicamente con el SAN, mientras que los injertos del ABS con bajo contenido de polibutadieno, el SAN libre se genera in situ. Una composición típica para un material con 40% de hule injertado es la que sigue: 19
En esta reacción el persulfato de potasio se utiliza como el iniciador de radicales libres y el terpinoleno como el agente de transferencia entre cadenas. El látex injertado se mezcla mecánicamente con SAN producido por emulsión, para generar una resina ABS con un contenido de hule entre 10 y 30%. Se mejora la estabilidad térmica con la adición de antioxidantes, como el di-t er t butil- p-cresol, directamente al látex. Las reacciones de injertado en emulsión se llevan a cabo en reactores de acero inoxidable o de acero con recubrimiento de vidrio, con capacidades de más de 20 m3, entre 55-75ºC a presión atmosférica. La reacción de injertado puede ser un proceso por lotes o semi-continuo.Si es un proceso semi-continuo: el látex de polibutadieno, la solución de iniciador y el emulsificador se cargan en el reactor, el cual se calienta hasta la temperatura de reacción y los monómeros de estireno y acrilonitrilo se bombean al interior durante un período de 1-6 horas. Después el lote se enfría y se bombea hasta el sistema de coagulación.
5.3. Coagulador: Las resinas de ABS del proceso de emulsión se recuperan del látex por coagulación. Esto se consigue con soluciones diluidas de sal o ácido. Para las emulsiones de jabón se utiliza cloruro de calcio, cloruro de sodio, ácido sulfúrico o ácido clorhídrico, mientras que las soluciones detergentes solo pueden coagularse con sal. La coagulación se lleva a cabo a temperaturas elevadas (80-100°C) para favorecer la aglomeración de las partículas de la resina. El tamaño de partícula se controla moderando la concentración de sal o ácido, la temperatura y la concentración del coagulado.
5.4. Filtración, secado y Separador: La mezcla de salida (resina húmeda) se drena por filtración y/o centrifugado y puede secarse en secadores de aire del tipo rotatorio o secadores de evaporación instantánea. La resina seca fabricada por emulsión se termina en forma de pellets antes de enviarla a los transformadores. Para hacerlo se utilizan aparatos como extrusores de simple y doble husillo. En estas máquinas, el polímero se somete a esfuerzos de corte muy grandes, lo que genera suficiente calor de fricción como para que el material fluya y disperse los pigmentos, lubricantes, estabilizadores y otros aditivos (150º - 250°C). 20
Las resinas de ABS también se pueden mezclar con otras resinas, desde SAN, PVC, policarbonatos, para obtener productos de propiedades mejoradas.
6. EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS 6.1. Reactores: Para la producción del polibutadieno, el reactor debe tener una capacidad entre 13 a 30m3 y deben estar diseñados para soportar presiones por encima de los 1000 kPa o sea 10atm. Debe estar rodeado con camisas de enfriamiento por agua, esto para remover el calor generado por la polimerización. Los materiales empleados en este reactor son: butadieno (monómero), hidroperóxido de Cumeno (iniciador), pirofosfato de sodio, dextrosa y sulfato ferroso (activadores), oleatode sodio (emulsificador) y agua. El material de este reactor puede ser de acero inoxidable o de acero con recubrimiento de vidrio en el interior. Para las reacciones de polimerización para la obtención del ABS el reactor a utilizar puede ser un reactor BATCH de acero inoxidable o de acero con recubrimiento de vidriocon capacidades de más de 20 m3. Los materiales empleados son: estireno y acrilonitrilo(monómeros), látex de polibutadieno, persulfato de potasio (iniciador), terpinoleno (agentede transferencia entre cadenas), di-t er t -butil- p-cresol (antioxidante) y agua. Coagulador. Tanque de escurrimiento. Filtro. Secador. Separador
7. PROCESO DE MOLDEO POR INYECCIÓN DEL PLÁSTICO La aplicación del moldeo por inyección del plástico es ampliamente utilizada en la producción de piezas de plástico – desde equipos médicos hasta juguetes. En la industria aeroespacial y particularmente en la industria automotriz, muchas piezas son fabricadas a través del moldeo por inyección del plástico. La industria del moldeo por inyección ha experimentado una serie de cambios en los últimos años, incluyendo una mayor rapidez de comercialización. Una de las estrategias fundamentales para los moldeadores por inyección del plástico, es trabajar con proveedores de utillaje asociados para reducir los tiempos de fabricación.
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7.1. Desarrolla el proceso de moldeo por inyección del plástico El proceso básico de fabricación de moldeo por inyección: el plástico es fundido en la máquina de moldeo por inyección del plástico y luego inyectado en un molde a alta presión. Allí, el material es enfriado, solidificado y luego liberado al abrirse las dos mitades del molde. Esta técnica da como resultado un producto plástico con una forma fija y predeterminada. Para facilitar la producción, las partes que desempeñan un papel en el proceso de moldeo por inyección del plástico deben ser diseñadas cuidadosamente. Los productos elaborados por máquinas de moldeo por inyección del plástico son diseñados primero por un ingeniero industrial o un diseñador. Luego, un fabricante de moldes crea el molde – generalmente de acero o aluminio. Este troquelista tiene en cuenta todas las condiciones esenciales: El material utilizado para el producto final, las características del producto; pero también el material del molde y las propiedades de la máquina de moldeo por inyección del plástico.
7.2. Esquema del proceso de moldeo por inyección
El ciclo propio del proceso de moldeo por inyección comprende los siguientes pasos: 22
El molde es colocado en la máquina de moldeo por inyección (IMM). La máquina de moldeo cierra el molde y, gracias a las herramientas de fijación [enlace a: soluciones de fijación], el molde permanece cerrado durante el moldeo por inyección del plástico. El plástico es introducido en la IMM en forma de gránulos o partículas esféricas (pellets). La máquina de moldeo calienta el plástico hasta que el mismo se vuelve líquido. A continuación, la tobera de la máquina de moldeo por inyección inyecta el plástico fundido en el molde (presión de inyección). Ahora, la cavidad del molde está llena de plástico líquido. Luego, el plástico se enfriará para formar un producto sólido. Finalmente, expulsores (enlace a: Sistemas de expulsión) expulsan el producto enfriado de la máquina como pieza terminada. El proceso de moldeo por inyección ha finalizado.
7.3. SISTEMAS DE CAMBIO RÁPIDO DE MOLDES 7.3.1. Aceleración del moldeo por inyección del plástico El tiempo del ciclo del proceso de moldeo por inyección del plástico puede desglosarse en el tiempo de inyección, el tiempo de enfriamiento y el tiempo de configuración o transición. Reduciendo alguno de estos tiempos, los costes de producción disminuyen. Los cambios frecuentes de moldes permiten reducir el inventario y ofrecen una respuesta más rápida a las exigencias del mercado. Los Sistemas de Cambio Rápido de Moldes de EAS reducen los costes de fabricación disminuyendo el tiempo de transición.
8. USOS Y APLICACIONES DEL ABS En el punto donde se habla del mercado del ABS se expondrán datos cuantitativos de los usos del ABS, pero podemos decir que se aplica para diferentes productos, entre los cuales se puede nombrar:
8.1. Piezas de automóviles (tableros, paragolpes, etc.) El ABS se caracteriza por ser un material muy fuerte y liviano, lo suficientemente fuerte como para ser utilizado en la fabricación de piezas para automóviles. El empleo de plásticos como ABS hace más livianos a los autos (un paragolpes hecho con este material puede sostenerse con una sola mano), lo que promueve una menor utilización de combustible y por ende menor contaminación. Se utiliza tanto en el interior como en el exterior. Se puede nombrar el panel de instrumento, consolas, cobertores de puertas y otras partes decorativas del interior. 23
Aplicaciones del exterior del automóvil pueden ser la parrilla del radiador, cuna de faros, alojamiento del espejo. Ya en 1985 los autos en México tenían 12 Kg. de ABS c/u. Tubos, accesorios, particularmente en las tuberías de drenaje, desagüe, ventilación de los edificios y juntas.
8.2. Electrodomésticos Recubrimiento interior y exterior de las puertas de las heladeras, Carcasa de aparatos eléctricos como taladros, televisores, radios, aspiradoras, máquinas de coser y secadores de pelo, etc.
8.3. Máquinas de oficina, carcasas de ordenadores y teléfonos. Productos atractivos con elegante diseño y gran calidad crean una sensación de confort en la oficina y en el hogar. El ABS puede crear excitantes y variadas combinaciones de colores. También puede ser cromado, estampado o metalizado. Dependiendo el molde utilizado, las superficies pueden ser opacas, brillantes o satinadas.
8.4. Otros Usos Entre otros, el ABS se puede utilizar para
Contenedores pequeños
Dispositivos eléctricos y electrónicos
Interiores de aviones
Paneles de instrumentos
Prototipos
En la industria farmacéutica para revestimiento de áreas estériles
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ANALISIS ECONOMICO
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10. Evaluación Económica 10.1. Valor Actual Neto (VAN) El Valor Actual Neto (VAN) es un criterio de inversión que consiste en actualizar los cobros y pagos de un proyecto o inversión para conocer cuánto se va a ganar o perder con esa inversión. También se conoce como Valor neto actual (VNA), valor actualizado neto o valor presente neto (VPN).
11.1. Tasa Interna de Retorno (TIR) La Tasa Interna de Retorno (TIR) es la tasa de interés o rentabilidad que ofrece una inversión. Es decir, es el porcentaje de beneficio o pérdida que tendrá una inversión para las cantidades que no se han retirado del proyecto.
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componentes/años
0
volumen de resina ABS precio de la resina ABS
1
2
3
4
5
80.000 4.000
85.000 4.000
90.000 4.000
95.000 4.000
100.000 4.000
Ingresos totales
320.000.000
340.000.000
360.000.000
380.000.000
400.000.000
costos fijos costos variables costos totales depreciación
49.300.518 139.406.223 188.706.741 60.386.157
49.300.518 139.406.223 188.706.741 60.386.157
49.300.518 139.406.223 188.706.741 60.386.157
49.300.518 139.406.223 188.706.741 60.386.157
49.300.518 139.406.223 188.706.741 60.386.157
150.907.102
Utilidad antes de impuestos
70.907.102
90.907.102
110.907.102
130.907.102
IUE 25%
17.726.775
22.726.775
27.726.775
32.726.775
37.726.775
utilidad después de impuestos
53.180.326
68.180.326
83.180.326
98.180.326
113.180.326
45.453.551
55.453.551
65.453.551
75.453.551
Inversiones
Inversión fija Inversión diferida
Capital de trabajo
101.406.861 53.881.797 18.905.829
Recuperación de capital de trabajo
Valor residual contable Flujo neto de caja Costo de oportunidad Factores de descuentos
174.194.487 12%
35.453.551 1,12
1,25
1,40
1,57
1,76
Valor descontado
191.772.277
31.654.956
36.235.293
39.470.742
41.596.915
42.814.371
VAN
17.577.790
TIR
16%
RBC
1,10
VAN: Como es mayor a cero el proyecto es rentable TIR: Como es mayo al costo de oportunidad ,12%, el proyecto es rentable RBC: Indica que por cada dólar invertido se recuperara 1.2$
1
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