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EVALUACIÓN DEL CARBOXIMETIL CELULOSA COMO AGENTE VISCOSANTE Y ESTABILIZADOR DE ESPUMA EN FORMULACIONES
DETERGENTES
ANDREA NATHALIA FULA GUZMÁN
NATHALIA PRIETO MÁRQUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C
2008
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EVALUACIÓN DEL CARBOXIMETIL CELULOSA COMO AGENTE VISCOSANTE Y ESTABILIZADOR DE ESPUMA EN FORMULACIONES
DETERGENTES
ANDREA NATHALIA FULA GUZMÁN
NATHALIA PRIETO MÁRQUEZ
Proyecto de Grado para optar
El titulo de Ingenieras Químicas
Asesor
JOAQUÍN ENRIQUE TIRANO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ D.C
2008
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“Dos son mejor que uno
porque si uno cayera
el otro lo levantará”
Gracias Hermi por la confianza
Nata
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por cada una de las oportunidades que nos ha brindado, por ayudarnos
en los momentos difíciles y por los logros tanto personales como académicos
que nos ha permitido alcanzar.
A nuestros padres y hermanos por su gran amor y contribución a nuestra
formación personal además de darnos un apoyo incondicional en cada decisión
de nuestras vidas.
A Joaquín Tirano nuestro asesor por su paciencia y por el interés que logro
despertar en nosotras con este trabajo investigativo además de un
reconocimiento por todo su conocimiento aportado.
A nuestros amigos por acompañarnos en esta etapa no solo como compañeros
académicos sino por el apoyo y la gran amistad ofrecida.
A cada una de las personas que nos dificulto este proceso, porque nos permitió
entender que de las dificultades se aprende y siempre hay un lado positivo en
toda situación, además que la forma en que se enfrentan los conflictos nos
fortalecen.
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TABLA DE CONTENIDOS
Lista de figuras…………………………………..................................................10
Lista de gráficas..………………………………..................................................11
Lista de tablas…………………………………....................................................14
1. Introducción…………………………………...................................................18
2. Objetivos…………………………………………………………………..……….21
2.1 Objetivo general…………..………………………….………..…...………….21
2.2 Objetivos específicos..……………………………….…………………..……21
3. Estado del arte...……………………………………..... ………………………..22
3.1 Viscosantes…………………...………….……………..……………………...22
3.1.1 Definición y aplicaciones...…………....……………..…………………..…22
3.1.2 Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)…........……..………………………22
3.1.3 Hidroxietilcelulosa (Cellosize)..……………...……..………………………23
3.1.4 Otros viscosantes………….…..……………………..…………..…………25
3.1.5 Caracterización…..………….………………………..……………………..25
3.1.5.1 Granulometría.....………….………………………..……………………..25
3.1.5.2 Viscosidad...……………….………………………..……………………..26
3.1.5.3 pH…...……..…………………………………….…..……………………..27
3.2 Detergentes……..………....………...…………….…..……………………...27
3.2.1 Función y propiedades…....…………………….…..……………………...28
3.2.2 Clasificación…..………………………………….…..……………………...29
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3.2.2.1 Presentación…...………………………………………………………….29
3.2.2.2 Reacción……...…………….……………………...……………………...29
3.2.2.3 Usos…...………………… ………………………...……………………...30
3.3 Detergentes líquidos…….…..………………………...……………………...31
3.3.1 Componentes……..….……………………………....……………………...31
3.3.1.1 Surfactantes……..………………………………....……………………...31
3.3.1.1.1 Surfactantes aniónicos….……………………....……………………...32
3.3.1.1.2 Surfactantes catiónicos..…..…………………....……………………...32
3.3.1.1.3 Surfactantes no iónicos………………………....……………………...33
3.3.1.1.4 Surfactantes anfóteros….……………………....……………………...33
3.3.1.2 Potenciadores…………......……………………….……………………...33
3.3.1.3 Secuestradores…………………………………….……………………...34
3.3.1.4 Solventes………..……....………………………....……………………...34
3.3.1.5 Ingredientes minoritarios..…..…………………....……………………...34
3.3.2.Formulación de un detergente de uso industrial……..…..……………...34
3.3.3 Incorporación de viscosantes en detergentes…….……………………..35
3.3.3.1 Influencia del pH del detergente……………….......……..…...………..35
3.3.3.2 Influencia de la velocidad de agitación….…...………….…...…………36
3.3.3.3 Influencia de la concentración del viscosante…..……...…...…………36
3.3.3.4 Otros factores influyentes…….……..………………………...…………38
3.3.4 Caracterización de detergentes…...…………….………………………...39
3.3.4.1 Determinación de viscosidad…….…………….………………………...40
3.3.4.2 Determinación de espumosidad.…………………….…………………..40
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3.3.4.3 Determinación de estabilidad de viscosante en detergentes……..….40
4. Materiales y métodos...................................................................................41
4.1 Materiales.................................................................................................41
4.2 Metodología…..........................................................................................42
4.2.1 Caracterización de los viscosantes.......................................................43
4.2.1.1 Granulometría.....................................................................................43
4.2.1.2 Viscosidad......................................................................................... 44
4.2.1.3 pH ......................................................................................................44
4.2.1.4 Dilución de los viscosantes en agua..................................................45
4.2.2 Elaboración de la solución detergente base.........................................46
4.2.2.1 Viscosidad y pH.................................................................................48
4.2.2.2 Espumosidad.....................................................................................48
4.2.3 Incorporación de viscosantes al detergente base.................................48
4.2.4 Caracterización del detergente líquido obtenido...................................51
4.2.4.1 Espumosidad…………………............................................................51
4.2.4.2 Viscosidad..........................................................................................52
4.2.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente.......................................53
4.2.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial..54
5. Resultados obtenidos..................................................................................55
5.1 Caracterización de los viscosantes..........................................................55
5.1.1 Granulometría........................................................................................55
5.1.2 Viscosidad..............................................................................................58
5.1.3 pH...........................................................................................................58
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5.2 Elaboración de la solución detergente base............................................59
5.2.1 Viscosidad............................................................................................59
5.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente....60
5.2.3 Espumosidad........................................................................................61
5.3 Incorporación de viscosantes al detergente base...................................62
5.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base......................62
5.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base...............62
5.4 Caracterización del detergente líquido obtenido.....................................62
5.4.1 Espumosidad...…..……………............................................................ 62
5.4.1.1 CMC…….....………………….............................................................63
5.4.1.2 Cellosize…..………………….............................................................68
5.4.2 Viscosidad............................................................................................72
5.4.2.1 CMC….…......………....……..............................................................72
5.4.2.2 Cellosize.…......……………................................................................77
5.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente.........................................81
5.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial....83
6. Análisis de resultados..................................................................................84
6.1 Caracterización de los viscosantes.........................................................84
6.1.1 Granulometría.......................................................................................84
6.1.2 Viscosidad.............................................................................................85
6.1.3 pH..........................................................................................................86
6.2 Elaboración de la solución detergente base............................................87
6.2.1 Viscosidad.............................................................................................87
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6.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente.....87
6.2.3 Espumosidad.........................................................................................87
6.3 Incorporación de viscosantes al detergente base.....................................88
6.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base.......................88
6.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base................89
6.4 Caracterización del detergente líquido obtenido......................................89
6.4.1 Espumosidad...…………………............................................................89
6.4.1.1 CMC………………..……………………………………………………....90
6.4.1.1.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante para CMC…......90
6.4.1.2 Cellosize….………..……………………………………………………....94
6.4.1.2.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante para Cellosize...95
6.4.2 Viscosidad.............................................................................................99
6.4.2.1 CMC………………..……………………………………………………....99
6.4.2.1.1 Análisis ANOVA del efecto de viscosidad para CMC………….....100
6.4.2.2 Cellosize….………..……………………………………………………..104
6.4.2.2.1 Análisis ANOVA del efecto de viscosidad para Cellosize………..105
6.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente........................................109
6.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial...110
7. Conclusiones..............................................................................................112
8. Recomendaciones......................................................................................115
Bibliografia......................................................................................................116
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Lista de figuras
Figura1.Estructura química de Carboximetil celulosa (tomado de: www.zenitech.com)…………………………………………………………………...23
Figura 2. Estructura química de Hidroxietil celulosa (Tomado de http://pslc.ws/spanish/cell.htm)…….............................................................……24
Figura 3. Estructura de un detergente (tomado de www.ciencianet.com)…...…28
Figura 4.Efecto del pH en la viscosidad de CMC (tomado de: www.herc.com).36
Figura 5. Efecto de la concentración de Cellosize en solución acuosa en la viscosidad (tomado de: www.dow.com).............................................................37
Figura 6. Efecto de la concentración de CMC en solución acuosa en la viscosidad (tomado de: www.herc.com).............................................................37
Figura 7. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de Cellosize (tomado de: www.dow.com)…...................................…..................…38
Figura 8. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de CMC (tomado de: www.herc.com)......................................................................39
Figura 9. Diseño experimental del proyecto…..………………………….……..…42
Figura 10. Viscosantes diluidos a diferentes concentraciones………………..…45
Figura 11. Procedimiento para la elaboración de detergente base……………..47
Figura 12. Montaje para la incorporación de viscosantes..………………………50
Figura 13. Montaje poder espumante………………………………………………51
Figura 14. Montaje viscosidad………………………………………………………52
Figura 15. Protocolo de incorporación de CMC propuesto en investigación…113
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Lista de gráficas
Gráfica 1 Análisis diferencial de partículas de CMC. ………..…….…………..…56
Gráfica 2 Análisis acumulativo de partículas de CMC………….….…………..…56
Gráfica 3 Análisis diferencial de partículas de Cellosize. …..…….…………..…57
Gráfica 4 Análisis acumulativo de partículas de Cellosize………...…………….57
Gráfica 5 Viscosidades de CMC y Cellosize al 1%...........…..…….…………….58
Gráfica 6 Viscosidad del detergente base. ………….……………………..…..…59
Gráfica 7 Efecto de la cantidad de soda cáustica empleada en la formulación respecto al pH del detergente base ……………………………..….…………..…60
Gráfica 8. Análisis diferencial de partículas de los viscosantes……. …………84
Gráfica 9. Análisis acumulativo de partículas de los viscosantes………….. …85
Gráfica 10. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para CMC……………………………………………………………………90
Gráfica 11. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de CMC …………………………………………………………....…91
Gráfica 12. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de CMC…………………………………………………………………. 91
Gráfica 13. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de CMC………………………………………………………………..92
Gráfica 14. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de CMC………………………………………………………………..92
Gráfica 15. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de CMC………………………………………………………………..93
Gráfica 16. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para Cellosize…….……………………………………………………….. 95
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Gráfica 17. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 96
Gráfica 18. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de Cellosize……………………………………………………………..96
Gráfica 19. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de Cellosize……………………………………………………..…….97
Gráfica 20. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 97
Gráfica 21. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de Cellosize………………………………………………………….. 98
Gráfica 22. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para CMC……………………………………………………………………….100
Gráfica 23. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….101
Gráfica 24. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….101
Gráfica 25. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….102
Gráfica 26. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de CMC……………………………………………………………………………….102
Gráfica 27. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de CMC………………………………………………………………….103
Gráfica 28. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para Cellosize ………………………………………………………………….105
Gráfica 29. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….105
Gráfica 30. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….106
Gráfica 31. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de Cellosize…………………………………………………………….106
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Gráfica 32. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de Cellosize………………………………………………………………………….107
Gráfica 33. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize……………………………………………………………..107
Gráfica 34. Resultados de estabilidad en la viscosidad del detergente............109
Gráfica 35. Resultados de estabilidad en poder espumante del detergente...109
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Lista de tablas
Tabla 1. Algunas propiedades de CMC (Tomado de www.marquimicos.com)..23
Tabla 2. Algunas propiedades de Cellosize (Tomado de www.marquimicos.com)......................................................................................24
Tabla 3. Escala granulométrica (tomado de: www.ciencianet.com).....…………25
Tabla 4. Formulación detergente líquido de uso industrial…………….…………34
Tabla 5. Lista de reactivos empleados en la experimentación………………..…41
Tabla 6. Equipos empleados en la experimentación……………………………..41
Tabla 7. Composición del detergente líquido para 1L…………………………….46
Tabla 8. Diseño experimental para incorporación de viscosantes………………48
Tabla 9. Formulación del detergente comercial (Tomado de detergente Ajax floral multiusos)……………………………………………………………………….54
Tabla 10. Resultados obtenidos de granulometría de CMC….. ……….……..…55
Tabla 11. Resultados obtenidos de granulometría de Cellosize……………….. 55
Tabla 12. Resultados de viscosidad del detergente base……………………… 59
Tabla 13. Resultados de influencia de soda cáustica en el pH………………….61
Tabla 14 Resultados de espumosidad del detergente base…..……….……..…61
Tabla 15. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................63
Tabla 16. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................64
Tabla 17. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................64
Tabla 18. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%......................................................................65
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Tabla 19. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................65
Tabla 20. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................66
Tabla 21. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................66
Tabla 22. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................67
Tabla 23. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................67
Tabla 24. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 68
Tabla 25. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................68
Tabla 26. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................69
Tabla 27. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................69
Tabla 28. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................70
Tabla 29. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................70
Tabla 30. Espumosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................71
Tabla 31. Espumosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................71
Tabla 32. Espumosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................72
Tabla 33. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................72
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Tabla 34. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%. ……………………………………………………………………..73
Tabla 35. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%................................................................................................. 73
Tabla 36. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................74
Tabla 37. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%..................................................................................................74
Tabla 38. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%..................................................................................................75
Tabla 39. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................75
Tabla 40. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%..................................................................................................76
Tabla 41. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%..................................................................................................76
Tabla 42. Viscosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................77
Tabla 43. Viscosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................77
Tabla 44. Viscosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 78
Tabla 45. Viscosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................78
Tabla 46. Viscosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.......................................................................79
Tabla 47. Viscosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%.................................................................................... 79
Tabla 48. Viscosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 1000rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 80
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Tabla 49. Viscosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad = 800rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%...................................................................... 80
Tabla 50. Viscosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad = 500rpm y concentraciones de 0.5, 0.8 y 1%. …………………………………………………81
Tabla 51. Muestras escogidas para examinar la estabilidad del viscosante..…81
Tabla 52. Muestras sometidas a temperatura ambiente (alrededor de 20°C)…82
Tabla 53. Muestras sometidas a 4°C …………..……………………………….…82
Tabla 54. Muestras sometidas a 40°C…………………..…….………….……..…82
Tabla 55. Propiedades detergente comercial Ajax floral multiusos...….……..…83
Tabla 56. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC………………………………………………………………………..93
Tabla 57. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize……………………………………………………………………98
Tabla 58. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC…………………………………………………………………………….103
Tabla 59. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize………………………………………………………………………..108
Tabla 60. Cantidad de viscosante en la formulación para un valor de viscosidad requerido……………………………………………………………………………..113
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1. Introducción
Dentro de las presentaciones comerciales de los detergentes, los polvos
constituyen la forma más tradicional, estos aún siguen siendo los más
populares en lo que respecta al lavado de ropa y lavadora. Se dosifican a
través de la cubeta del jabón y empiezan a disolverse en el momento en el que
penetran en la máquina. De esta forma, su potencia limpiadora actúa tan pronto
como se depositan en el tambor. No obstante, con el pasar de los años nació la
necesidad de un detergente más fácil de dosificar, con dispersión más rápida y
útil para el pre-tratamiento de las manchas, el lavado a mano y en los ciclos de
"lavado rápido". Fue así como los detergentes líquidos (para lavado de ropa y
en productos de aseo en general) se introdujeron al mercado a finales de 1940
en Estados Unidos y desde entonces han ganado popularidad en la industria
detergente la cual se ha dedicado a desarrollarlos (Broze 1999); un ejemplo de
este desarrollo es el detergente líquido Ariel que actualmente utiliza una "Smart
Ball" que se coloca encima de la colada en el interior del tambor y permite
mayor dispersión (Procter & Gamble 2005).
Con objetivos comerciales, en la formulación de los detergentes líquidos se
utilizan generalmente agentes viscosantes como lo son soluciones de cloruro
de sodio o Hidroxietilcelulosa, entre otros. Sin embargo, se presentan algunos
problemas en el uso de estos compuestos, como lo son su alto costo y en
algunos casos el inconveniente de alcanzar la viscosidad final deseada. Por lo
anterior, se requiere encontrar un viscosante sustituto de menor precio que sea
capaz de cumplir las especificaciones apropiadas para la formulación de un
detergente líquido, de tal forma que no sea compleja su incorporación en la
solución detergente y que no altere las propiedades finales del mismo.
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Se propone como alternativa la Carboximetil Celulosa (CMC) por ser un
compuesto biodegradable, renovable y económico además por las propiedades
físicas y químicas que presenta.
En consecuencia a la complejidad de la adición de CMC al detergente que
básicamente se debe a que su rango de condiciones de trabajo es mas
reducido comparado con viscosantes comerciales como el CELLOSIZE, éste no
es muy comúnmente usado. No obstante, su precio es considerablemente más
bajo que el del CELLOSIZE (mientras 1 Kg de CMC cuesta 17,000 pesos, el de
CELLOSIZE cuesta 23,000). El propósito del proyecto es hallar las condiciones
básicas de adición para hacer más sencilla la tarea de incorporación y de esta
forma poder implementar la CMC en los detergentes a nivel industrial
aprovechando la ventaja de su bajo costo mediante la experimentación.
En el proceso de adición del viscosante al detergente es importante tener en
cuenta ciertas variables relevantes como lo son el pH, la concentración del
viscosante, la temperatura, la agitación y la velocidad de adición del viscosante.
En la investigación se pretende analizar las variables que consideramos de
mayor importancia las cuales son el pH, la velocidad de agitación y la
concentración de viscosante, debido a que estas tienen mayor influencia en las
propiedades y la calidad del detergente a obtener. La exclusión de la
temperatura como variable a evaluar se debe a que se desea que los resultados
de la investigación se apliquen a un campo industrial, por lo que no es viable
destinar costos de tipo energético. Con respecto a la variable de velocidad de
adición del viscosante al detergente, se puede ignorar ya que la cantidad de
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viscosante que se adiciona es escasa debido a la concentración de este en el
detergente.
A partir de los resultados experimentales encontrados, se pretende realizar un
protocolo de incorporación para la Carboximetil celulosa que facilite el
procedimiento de implementación de manera exitosa con el fin de obtener un
detergente de propiedades similares a uno comercial.
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2. Objetivos
Objetivo general
Establecer un protocolo de incorporación de Carboximetil Celulosa
Sódica (CMC) a soluciones detergentes que permita obtener el
comportamiento de la viscosidad, estabilidad y el poder espumante
respecto a Hidroxietilcelulosa (CELLOSIZE).
Objetivos específicos
Determinar los efectos de la concentración de viscosante, pH de la
solución detergente y velocidad de agitación en la viscosidad del
detergente final.
Determinar la estabilidad que presentan los dos tipos de viscosantes
empleados en la solución detergente.
Establecer un procedimiento reproducible para incorporar correctamente
la Carboximetil Celulosa a la solución detergente.
Comparar algunas de las propiedades del detergente obtenido respecto
a un detergente comercial de uso industrial.
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3. Estado del arte
3.1 Viscosantes
3.1.1 Definición y aplicaciones
Un viscosante es una sustancia que incrementa la concentración de los sólidos
en una sustancia después que se ha presentado sedimentación por gravedad.
Estas partículas están dispersas de manera uniforme para formar una
estructura más viscosa que fluirá con menor velocidad. Son conocidos como
modificadores de reología y están presentes en la actualidad en una gran
cantidad de productos. Son usados en procesos industriales de alimentos,
farmacéuticos, cosméticos y de aseo personal, también en adhesivos, textiles y
de pinturas entre otras industrias.
Ellos no solo alteran la viscosidad de un producto, también proveen una
funcionalidad especifica al mismo. En el caso de los detergentes, la suspensión
de ingredientes solubles para incrementar la estabilidad.
3.1.2 Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)
La Carboximetil Celulosa es un compuesto biodegradable y económico, como
su nombre lo indica es un derivado de la celulosa, lo que permite que sea
completamente soluble en agua fría y caliente, pero insoluble en la mayoría de
disolventes orgánicos (Smulders 2002)
Se utiliza primordialmente como agente espesante aunque también tiene otras
funciones secundarias como producto de relleno, fibra dietética, agente anti
grumoso y emulsificante, agente estabilizante y gelificante, entre otros. Al ser
útil en formulaciones detergentes como viscosante, es compatible con los
tensoactivos aniónoicos y catiónicos; sin embargo, una recomendación para su
uso es disolverla en agua (1% peso) primero antes de agregarla al detergente
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(Watson 2006). A continuación en la tabla 1 se enlistan algunas propiedades
relevantes de la CMC 7H tomadas de la hoja técnica obtenida en Mar químicos
S.A.
Tabla 1. Algunas propiedades de CMC (tomado de: www.marquimicos.com)
Propiedad Valor/Descripción
pH (1%, 25ºC) 6 - 8
densidad especifica 0. 6-0.9
color blanco
Olor ninguno
solubilidad en agua 100%
La figura1 muestra la estructura química de la Carboximetil Celulosa.
Figura 1. Estructura química de Carboximetil Celulosa (Tomado de: www.zenitech.com)
La CMC posee carácter hidrofílico, tiene buenas propiedades para formar
películas, alta viscosidad y presenta comportamiento adhesivo, entro otras
características.
3.1.3 Hidroxietilcelulosa (Cellosize)
Actualmente los detergentes emplean en sus formulaciones, viscosantes como
Hidroxietilcelulosa conocido comercialmente como Cellosize por ser un derivado
de la celulosa, presentándose el problema que es un compuesto relativamente
más costoso y requiere mayor cantidad para lograr alcanzar la viscosidad
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deseada para un detergente. En la tabla 2 se enlistan algunas propiedades del
Cellosize 52000H, tomadas de la hoja técnica de Mar químicos S.A.
Tabla 2. Algunas propiedades de Cellosize (Tomado de www.marquimicos.com)
Propiedad Valor/Descripción
pH (1%, 25°C) 5 - 7
densidad especifica 0. 4-0.6
color blanco
Olor leve
solubilidad en agua 98%
La estructura química de la hidroxietilcelulosa difiere de la celulosa en la
sustitución de algunos o todos los grupos hidroxilos por grupos hidroxietil éter
como se muestra en la figura 2.
Figura2. Estructura química de la Hidroxietil Celulosa (tomado de: www.dow.com)
En la industria de aseo se utiliza para espesar champú haciéndolo menos
espumoso y formando coloides alrededor de las partículas orgánicas, de esta
forma la cadena polimérica envuelve el mugre y al ser la cadena soluble en
agua, se lleva consigo el material orgánico que es hidrofóbico.
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3.1.4 Otros viscosantes
Los viscosantes provienen de ambas fuentes naturales y sintéticas. Los
naturales son compuestos de polisacáridos o aminoácidos, algunos son
almidones, celulosa, alginatos, agar, colágeno, yema de huevo, goma de guar
entro otros. Los sintéticos son polímeros o cadenas de derivados de celulosa
como la CMC, Cellosize y sílica.
3.1.5 Caracterización
La caracterización de los viscosantes a incorporar (CMC y CELLOSIZE) para
esta investigación, consiste en la evaluación de propiedades físico-químicas de
granulometría, viscosidad y pH.
3.1.5.1 Granulometría
Consiste en la medición de los granos de una formación sedimentaria y el
cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños
previstos por una escala granulométrica ilustrada en la tabla 2.
El método de determinación granulométrico más sencillo es obtener las
partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de
coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente
columna de tamices (T. William 1997).
Tabla 3. Escala granulométrica (tomado de: www.ciencianet.com)
Escala granulométrica
Partícula Tamaño
Arcillas < 0,002 mm
Limos 0,002-0,06 mm
Arenas 0,06-2 mm
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Gravas 2 mm-6 cm
Cantos rodados 6-25 cm
Bloques >25 cm
3.1.5.2 Viscosidad
La viscosidad aparente se define como el cociente entre el esfuerzo cortante y
la velocidad de deformación. Todos los fluidos presentan viscosidad, es decir
que realmente ninguno presenta comportamiento de fluido ideal en el cual la
viscosidad es nula, sin embargo para los que presentan una muy baja
viscosidad se pueden modelar como fluidos ideales. La viscosidad debe
medirse cuando un fluido esta en movimiento, de lo contrario no hay fuerzas
tangenciales que ocasionen perturbación a su estabilidad.
Una de las características relevantes de esta propiedad es que depende de las
condiciones de operación tales como gradiente de velocidad de deformación,
temperatura y presión, entre otros) más no se ve afectada por las
características de los fluidos (Blasco 2006).
La temperatura afecta en gran medida la viscosidad de un fluido ya que para
los líquidos las fuerzas de cohesión (debidas a su estructura interna) son
superiores a las de los gases pero al recibir un incremento térmico, los enlaces
de su estructura tienden a romperse y su capacidad de fluir aumenta por lo
tanto la viscosidad disminuye con un aumento de la temperatura. La viscosidad
de la mayoría de los líquidos no se ve afectada por cambios de presión
moderados, sin embargo un gran incremento de presión si ocasiona cambios
considerables en la viscosidad. (Sachdev 2006).
Dentro del rango de viscosidades en que trabajan los viscosantes en cuestión,
se encuentra en la literatura que para CMC (1%) entre 1500 hasta 2000 cPs a
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una velocidad de 30 rpm y en el caso del Cellosize (1%), la hoja técnica reporta
un valor entre 1000 hasta 1400 cPs a 30 rpm ambos tomados a una
temperatura de 25°C.
3.1.5.3 pH
El valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un potenciómetro,
también conocido como pH-metro, un instrumento que mide la diferencia de
potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (generalmente de
plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ión hidrógeno.
La mayoría de los detergentes líquidos tienen un pH de carácter básico debido
a la presencia de bases en la formulación como el hidróxido de sodio, sin
embargo, este pH puede variar según el uso comercial del detergente (Showel
2006).
Para los viscosantes el pH se mantiene dentro de un rango neutro por lo que no
se esperan cambios en el pH del detergente base una vez se añada el
viscosante. En el caso específico de los viscosantes a utilizar se observa un
rango de pH en los que estos mantienen vida útil, para la CMC es de 4 a 10 y
para el Cellosize de 2 a 12.
3.2 Detergentes
El termino “detergentes” es aplicado a materiales y/o productos que proveen las
funciones tanto de promover la remoción de material de superficie como de
dispersar y estabilizar estos materiales. (Showell 2006) .Son Agentes químicos
usados para la eliminación de la suciedad insoluble en agua, estos al
interactuar con el agua disuelven partículas grasas y materia orgánica de un
material, de esta forma gracias a su tensoactividad consigue una limpieza
química (Spitz 2004).
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3.2.1 Función y propiedades
Los detergentes son compuestos que permiten variar la tensión superficial del
agua y son los causantes de la Humectación, Penetración, Emulsión y
suspensión de la suciedad. Su estructura está compuesta por dos partes: una
Hidrófilica (afinidad con el agua) y otra Hidrofóbica (afinidad con aceites), lo que
permite formar puentes de agua y aceite, ayudando a remover la suciedad.
La estructura química de un detergente se ilustra en la figura 3.
Figura 3. Estructura de un detergente (Tomado de: www.ciencianet.com)
La habilidad de cumplir esta función depende de la composición de la
formulación, las condiciones de uso, la naturaleza de la superficie a tratar y por
último de las características de la sustancia que se desea remover o dispersar
(Lima 2007).
Un buen detergente debe cumplir con las siguientes propiedades: (1) Tensión de superficie, es la disminución de la tensión superficial del agua que permite
mayor penetración del agente de limpieza dentro de la suciedad, lo que permite
una mayor superficie a ser limpiada en un mismo momento. (2) Dispersión y suspensión, mientras la tensión superficial permite una mayor penetración de
agua sobre la superficie, el detergente envuelve la suciedad (dispersión) luego
la mantiene en suspensión lo que provoca que pueda ser removida fácilmente.
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(3) Emulsión, los emolientes son adheridos a los detergentes para disolver los
lípidos tales como aceites y grasas y transforman los mismos en una solución
de fácil remoción. (4) Penetración, esta propiedad hace que el detergente se
dirija hacia el centro de las partículas de suciedad, rompiendo las proteínas y
permitiendo que el mismo trabaje a través del área sucia ayudando a disolverla
(Trick WE y col 2002).
3.2.2 Clasificación
De forma general los detergentes se clasifican de acuerdo a su presentación,
reacción y uso.
3.2.2.1 Presentación
La presentación del detergente depende su proceso de fabricación, de su
formulación y de su uso comercial. Se clasifican en: (1) polvo, (2) barra, (3) líquido y por ultimo (4) hojuelas.
3.2.2.2 Reacción
Según la reacción que se presenta en el momento de su elaboración, y esto de
acuerdo al surfactante que presentan, los detergentes se clasifican en cuatro
grupos (Maimone 2008):
(1) Aniónicos, son detergentes simples similares a los detergentes comunes
usados en el hogar. Son aquellos cuya carga iónica de la parte activa son
aniones. Son aceptables para el trabajo de limpieza de superficies sin embargo
no tiene la habilidad de los agentes catiónicos para matar bacterias. Además los
cambios de PH impactan en su efectividad. Estos detergentes frecuentemente
producen espuma la cual deja un residuo en la superficie que puede causar,
con el tiempo, manchas en la misma que deben ser removidas. Son usados
para disminuir la tensión superficial y emulsificar.
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(2) Catiónicos, son usados en germicidas y fungicidas. Tienen algunas de las
propiedades de los aniónicos, sin embargo no son los detergentes más
efectivos. Estos detergentes no son compatibles con los aniónicos y están
formulados con detergentes no iónicos para conseguir una formulación
detergente desinfectante. Un ejemplo son el cloruro de dimetilbenzilamonio y
bromuro de cetiltrimetilamonio.
(3) No iónicos, son aquellos que no se ionizan en soluciones acuosas, no
presentan cargas, tienen la mayor propiedad de detergencia y son muy estables
en aguas ácidas o duras. No son germicidas y tienen baja espuma. No dejan
manchas en superficies y no requieren enjuague (Maimone 2008).
(4) Anfóteros, son aquellos que bien se comportan como aniones o como
cationes dependiendo de la acidez de la solución así que se encuentran cargas
positivas y negativas en al estructura de la molécula.
3.2.2.3 Usos
Por su uso comercial se clasifican en (Showell 2006):
(1) lavandería, son utilizados como principales agentes de limpieza. Estos a su
vez se dividen en dos categorías principales, jabonosos y no jabonosos; los
primeros se producen principalmente al calentar grasas y aceites animales o
vegetales con hidróxido de sodio, mientras que los segundos se basan de
petroquímicos derivados de aceites minerales que reaccionan con ácido
sulfúrico (Moore 1973).
(2) industrial, poseen un alto poder desengrasante, disolvente, bactericida y
corrosivo, el surfactante más común es el hidróxido de sodio o soda cáustica.
(3) limpieza doméstica, en este tipo de detergente se encuentran los
lavavajillas, desinfectantes y limpiadores, poseen alto poder bactericida y
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disolvente, no son corrosivos ya que es de uso casero y presentan
generalmente un pH entre neutro y básico.
(4) limpieza personal, en esta categoría se encuentran productos como
champús, jabones corporales, crema dental, entre otros; poseen alto poder
humectante, por lo general son de alta viscosidad ya que tanto esta propiedad
como propiedades organolépticas son de vital importancia, estos productos
presentan un pH neutro debido a su contacto directo con el consumo humano.
(Showell 2006).
3.3 Detergentes líquidos
Su fácil dosificación y flexibilidad de temperatura de trabajo constituyen unas de
las ventajas frente a detergentes en otras presentaciones como polvo, barra y
hojuelas, que si bien poseen una formulación más sencilla (ya que no requieren
producir dispersión de los constituyentes requeridos en una forma estable como
en los detergentes líquidos) no se igualan en eficiencia. Por lo anterior grandes
compañías se han dedicado a la producción y desarrollo de detergentes
líquidos más eficientes y con mejores propiedades (Smulders 2002).
3.3.1 Componentes
Como se mencionó anteriormente, dependiendo del uso del detergente, se
formula un producto con ingredientes específicos que se seleccionan con base
en la capacidad de realizar una función. De manera general, los detergentes
presentan dentro de sus formulaciones unos ingredientes básicos.
3.3.1.1 Surfactantes
Entre los componentes más comunes se encuentran los surfactantes o agentes
tensoactivos los cuales cumplen la función de modificar la interfase reduciendo
la tensión interfacial para promover la dispersión de una fase en otra, de esta
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forma la mugre es encapsulada, removida de la superficie y dispersada en el
agua todo gracias a su carácter hidrofóbico e hidrofílico al mismo tiempo. Según
el comportamiento hidrofílico se clasifican en surfactantes de tipo aniónico,
catiónico, no iónico y anfótero.
3.3.1.1.1 Surfactantes aniónicos
Los surfactantes aniónicos contienen generalmente un grupo polar soluble
como carboxilato, sulfonato, sulfato o fosfato, combinado con una cadena
hidrocarbonada hidrófoba. Si dicha cadena es corta son muy hidrosolubles, y de
lo contrario tendrán baja hidrosolubilidad y actuaran en sistemas no acuosos
como aceites lubricantes (Linfield 1976).
Dentro de esta clasificación se encuentran compuestos como el alquilbencen
sulfonato lineal (LABS) o los alquilsulfatos (AS) derivados principalmente del
petróleo, y de alta utilización en la industria de jabones y detergentes (Spitz
1997).
3.3.1.1.2 Surfactantes catiónicos
Los surfactantes catiónicos comúnmente utilizados en detergentes, agentes
limpiadores, líquidos lavavajillas y cosméticos están compuestos por una
molécula lipofílica y otra hidrofílica, consistente de uno o varios grupos amonios
terciarios o cuaternarios. Las sales de cadenas larga de amonio terciarias,
obtenidas por neutralización de las aminas con ácidos orgánicos o inorgánicos,
son raramente usadas en detergentes y preparaciones para limpieza. Su
principal aplicación esta en el tratamiento de textiles y ocasionalmente como
suavizantes tipo acondicionador (Jungermann 1970).
Las sales de amonio cuaternarias con un solo grupo alquilo (C12-C18), o dos
grupos mas cortos (C8-C10) son usados como sustancias activas
antimicrobianos. Debido a su capacidad para adsorber sobre fibras o cabello,
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los inicialmente mencionados sirven como acondicionadores para el cabello
(Spitz 1997).
3.3.1.1.3 Surfactantes no iónicos
Los surfactantes no iónicos no se disocian en iones hidratados en medios
acuosos. Las propiedades hidrofílicas son provistas por hidratación de grupos
amida, amino, éter o hidroxilo. Cuando existe un número suficiente de estos
grupos la solubilidad acuosa es comparable con la de los surfactantes iónicos.
Las aplicaciones son extensas y dependen de la cantidad de grupos polares
presentes, que determinaran la solubilidad tanto en agua como en aceite
(Schick 1967).
3.3.1.1.4 Surfactantes anfóteros
Los surfactantes anfóteros tienen dos grupos funcionales: uno aniónico y otro
catiónico. Según el pH una de las dos disociaciones domina (aniónico a alto pH,
catiónico a bajo pH). Cerca del punto isoeléctrico, son realmente anfóteros y
presentan una mínima actividad superficial.
Estos surfactantes son poco irritantes, y según el pH pueden presentar
adsorción sobre superficies con cargas positivas o negativas. Son compatibles
con los demás tipos de surfactantes y se usan en formulaciones no-tóxicas
(SCHWARTZ., PERRY & BERCH 1977).
3.3.1.2 Potenciadores
Los constructores o potenciadores, los cuales aumentan o mantienen,
dependiendo del tipo de detergente, la eficiencia del agente tensoactivo
mediante la inactivación de las aguas duras.
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3.3.1.3 Secuestradores
Los secuestradores son aquellos que capturan los grupos álcalis, estos
controlan los iones metálicos presentes en el agua mediante la remoción de los
iones de calcio y magnesio que pueden ocasionar inactivación del detergente.
3.3.1.4 Solventes
Los solventes en la formulación y generalmente el agua, es el más utilizado
gracias a su compatibilidad con las superficies además que es un medio de
transporte efectivo.
3.3.1.5 Ingredientes minoritarios
Finalmente están los ingredientes minoritarios dependiendo del uso se
implementan, estos son los blanqueadores, algunas enzimas, lipasas,
elevadores de espuma y espesantes o viscosantes entre otros (Showell M.
2006).
3.3.2. Formulación de un detergente de uso industrial
La formulación de un detergente depende generalmente del uso comercial de
este y de los requerimientos establecidos, especialmente los referentes a
impactos ambientales, biodegradabilidad y nivel de espuma. Por lo anterior
existen bastantes formulaciones de detergentes.
Para el caso en particular del proyecto a desarrollar, el cual consiste en un
detergente líquido industrial, se planteo la formulación flexible descrita en la
tabla 4.
Tabla 4. Formulación detergente líquido de uso industrial (Showell 2006)
Compuesto % Peso Función
ADBS Lineal 15 Surfactante aniónico
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Soda Cáustica 2-2,5 Potenciador
Nonil Fenol 10M 2,5 Surfactante no-iónico
Agua 79,5 Solvente
CMC/Cellosize 0,5-1 Viscosante
3.3.3 Incorporación de viscosantes en detergentes
Un problema que se presenta al adicionar los viscosantes al detergente es el de
controlar aquellas variables que influencian de manera directa las propiedades
finales del producto. En esta investigación se estudian la influencia del pH
detergente base (el cual se entiende por el detergente antes de la incorporación
de un viscosante), la velocidad de agitación, y la concentración de viscosante.
Aunque no son objeto de estudio experimental, se tienen en cuenta variables
relevantes como temperatura y velocidad de adición.
3.3.3.1 Influencia del pH del detergente
El pH alcanzado por el detergente influye en la estabilidad del viscosante, y
como se ilustra en la figura 4, un rango de pH entre 4 y 10 es apropiado para
CMC ya que valores de pH entre 7 y 9 lo mantienen estable mientras que
valores mayores o menores a este pueden ocasionar inactivación del
viscosante o inestabilizad.
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Figura 4. Efecto del pH en la viscosidad de CMC (Tomado de: www.herc.com)
Por otro lado, como se mencionó anteriormente, Cellosize tiene un rango de
trabajo mas amplio, que en el caso del pH esta entre 2 y 12 donde no altera la
viscosidad de la soluciones de Cellosize, sin embargo por debajo de 5
empiezan a desestabilizarse ligeramente.
3.3.3.2 Influencia de la velocidad de agitación
La velocidad de agitación debe tenerse en cuenta ya que tiene un efecto sobre
el patrón de la mezcla, es decir, a un determinado tiempo de agitación, una baja
velocidad puede ocasionar aglomeración de viscosante y que éste no logre
incorporarse totalmente mientras que una velocidad mayor logrará homogenizar
la mezcla en la misma cantidad de tiempo.
3.3.3.3 Influencia de la concentración del viscosante
La figura 5 muestra un considerable aumento en la viscosidad a medida que se
incrementa la concentración de Cellosize. Este comportamiento varía de
acuerdo al tipo de Cellosize que se maneja, en este caso QP52000H.
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Figura 5. Efecto de la concentración de Cellosize en solución acuosa en la viscosidad
(Tomado de: www.dow.com)
La viscosidad de soluciones acuosas de CMC se incrementa rápidamente con
el aumento de la concentración como se muestra en la figura 6. Para la CMC
trabajada en esta investigación, debe notarse el comportamiento de CMC 7H.
Figura 6. Efecto de la concentración de CMC en solución acuosa en la viscosidad (Tomado de:
www.herc.com)
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3.3.3.4 Otros factores influyentes
La temperatura es un factor que influye directamente en el producto final, ya
que esta afecta la solubilidad de un sólido (como los viscosantes) en un líquido
(agua). A medida que aumenta la temperatura aumenta la solubilidad. Además
como se mencionó anteriormente la temperatura tiene influencia en la
viscosidad de líquidos debido a las rupturas en la estructura de las moléculas
que ocasionan los incrementos de temperatura.
Figura 7. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de
Cellosize (Tomado de: www.dow.com)
La viscosidad de las soluciones de CMC y Cellosize depende de la temperatura
como se ve en las figuras 7 y 8. Bajo condiciones normales, el efecto de la
temperatura es reversible, así que no tiene un efecto permanente en la
viscosidad. Sin embargo largos periodos de calentamiento y altas temperaturas
degradarán los viscosantes y reducirán la viscosidad de manera permanente.
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Figura 8. Efecto de la temperatura en la viscosidad de soluciones acuosas de CMC (Tomado de: www.herc.com)
Aunque aumentar la temperatura reduce la viscosidad en ambos casos, la
temperatura no es una variable estudiada en esta investigación, ya que el
objeto de estudio esta dirigido a una aplicación a nivel industrial y el hecho de
incluirle gastos energéticos para aumentar la temperatura, no es deseable ni
factible en un proceso a escala.
Finalmente otro factor importante es la velocidad de adición del viscosante
acuoso al detergente, como la cantidad de viscosante (CMC o Cellosize) en la
formulación es tan poca (1% o menos) podría despreciarse este efecto, pues su
incorporación será rápida debido a su mínima participación en el detergente.
3.3.4 Caracterización de detergentes
Después de incorporado el viscosante al detergente, se debe proceder a
evaluar las propiedades mas relevantes que debe cumplir un detergente líquido
de uso industrial, las que se consideran en este estudio son: viscosidad, poder
espumante y estabilidad del detergente.
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3.3.4.1 Determinación de viscosidad
La prueba consiste en medir la resistencia del fluido, en este caso el detergente,
al movimiento rotatorio, esta prueba se realiza con un viscosímetro tipo
Brookfield. El viscosímetro mide la resistencia que presenta el fluido o su
capacidad de fluir cuando se le aplica una fuerza interna que lo induce al
movimiento, bajo condiciones determinadas.
3.3.4.2 Determinación de espumosidad
La espuma es una capa de líquido globular (fase dispersante) enclaustrando
vapor o gas (fase dispersa). Tienen un comportamiento similar a las emulsiones
en donde capas de adsorción rodean la fase dispersa en ambos sistemas. Sin
embargo, las espumas difieren de las emulsiones en dos aspectos: la fase
dispersa es un gas en las espumas y un líquido en las emulsiones; las burbujas
de gas de las espumas son mucho más grandes que los glóbulos en las
emulsiones (Zulina 2006).
El poder espumante o espumosidad es la propiedad que indica cuanta espuma
puede producir una solución detergente al someterse al estimulo de vibración.
3.3.4.3 Determinación de estabilidad de viscosante en detergentes
La estabilidad consiste en una situación donde un sistema se mantiene en
estado estacionario, es decir, igual en el tiempo y si se realiza una modificación
en las condiciones iniciales no se altera significativamente el futuro de este. La
estabilidad del viscosante en la solución detergente base es muy importante ya
que esta determina si el viscosante, su concentración y la forma de
incorporación son adecuadas. Está relacionado con degradación de la CMC y
ataque microbiológico al mismo. Esta estabilidad se valora por medio de la
observación de cambios al someter al detergente a condiciones ambientales
extremas.
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4. Materiales y métodos
4.1 Materiales
Para los experimentos realizados, se han usado algunos reactivos y equipos los
cuales se presentan a continuación.
La tabla 5 contiene los reactivos que se utilizaron, con sus respectivas
cantidades y la descripción del uso del reactivo en la experimentación del
proyecto. Tabla 5. Lista de reactivos empleados en la experimentación
_____________________________________________________
Reactivo Experimento Cantidad ____________ gr. _____________________________________________________
Agua 18985 Formulación (solvente)
Soda Cáustica 599 Formulación (potenciador
ADBS Lineal 3650 Formulación (surfactante)
Nonil Fenol 10M 589.5 Formulación (surfactante)
CMC 144 Caracterización
Incorporación (viscosante)
Cellosize 144 Caracterización
Incorporación (viscosante)
__________________________________________________
De la misma forma, la tabla 6 contiene los equipos utilizados durante la
investigación junto con la descripción del uso del equipo en la experimentación
del proyecto. Tabla 6. Equipos empleados en la experimentación
______________________________________________________ Equipo Experimento
______________________________________________________ pH-metro Caracterización por pH
Evaluación pH del detergente
Viscosímetro Brookfield Caracterización por viscosidad
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Evaluación viscosidad detergente
Tamices Tyler Caracterización por granulometría
Agitador Lightnin Incorporación de viscosantes
Plancha calentamiento Disolución de viscosantes
Congelador Prueba de estabilidad a 4ºC
______________________________________________________
4.2 Metodología
El trabajo se divide en cuatro partes experimentales que son: (1)
Caracterización de viscosantes, (2) obtención del detergente base, (3)
incorporación del viscosante en el detergente y finalmente (4) evaluación de
algunas normas ASTM en el detergente obtenido. La figura muestra el diseño
experimental de manera general.
Figura 9. Diseño experimental del proyecto
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4.2.1 Caracterización de los viscosantes
Con el fin de evaluar algunas de las propiedades más relevantes a analizar para
este estudio, se realizaron tres pruebas a los viscosantes de granulometría, pH
y viscosidad.
4.2.1.1 Granulometría
La granulometría o análisis por tamizado, como se indica, es un análisis que
emplea un tamiz analítico para caracterizar de manera aproximada la
distribución del tamaño de partículas que componen una muestra sólida. Se
hace pasar una muestra por una serie de mallas de alambre, las cuales están
ubicadas verticalmente una sobre otra de tal forma que el mayor tamaño de
partícula se quedará en la parte de arriba mientras el menor se retiene en la
malla de abajo.
Se prepararon dos muestras de CMC y Cellosize en polvo de 20 gramos cada
una. Posteriormente se hicieron pasar por tamices de malla # 18(1 mm), malla
# 35(0.5 mm), malla # 60(0.250 mm) y malla # 120(0.125 mm), los cuales son
tamices Tyler acoplados, sometiéndolos a una agitación mecánica moderada y
constante durante 3 minutos.
Por último se separan los tamices y se pesan las muestras retenidas por cada
tamiz para lograr determinar la distribución de partículas. Se escogieron este
tamaño de tamices, ya que el proveedor de los viscosantes reportó en las hojas
de especificación tamaños de partícula de los viscosantes que se encuentran
dentro del rango manejado.
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4.2.1.2 Viscosidad
La prueba consiste en medir la resistencia del fluido al movimiento rotatorio,
esta prueba se realiza con un viscosímetro tipo Brookfield RVDV-II+. El
viscosímetro mide la resistencia que presenta el fluido cuando se le aplica una
fuerza interna que lo induce al movimiento, bajo condiciones de temperatura y
presión ambiente. En este caso, se tomaron dos muestras de 400 ml de una
solución acuosa de Cellosize y CMC cada una al 1%.
Se procedió a medir con el viscosímetro de Brookfield usando la aguja 64 la
cual es la apropiada para medir rangos de viscosidad altos como se esperaba
que tuvieran los viscosantes. Se tomaron diferentes datos de viscosidades
variando la velocidad de tal forma que se pueda determinar su comportamiento
como fluido.
4.2.1.3 pH
El pH es un indicativo para determinar la acidez o alcalinidad de una sustancia,
este se encarga de medir la concentración de los iones de hidrógeno de una
solución.
Tomando las mismas muestras que se utilizaron para medir la viscosidad, se
procedió a medir el pH usando el pH-metro digital. Esta medición es de
importancia ya que antes de adicionar el viscosante en el detergente se espera
que este maneje un rango de pH entre 4 y 8 pues de lo contrario se debe
controlar ya que si llegase a ser muy bajo (menor a 4), el viscosante no se
activara y por el contrario, un pH muy alto (mayor de 9) hará que el viscosante
objeto de estudio se desestabilice
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4.2.1.4 Dilución de los viscosantes en agua
Para incorporar el respectivo viscosante al detergente base, se realiza una
dilución de estos en una cuarta parte del agua de la formulación del detergente
final, lo anterior se realiza con el objetivo de que el agua sirva como transporte
para el viscosante y le ayude a ser más afín con el detergente logre una
incorporación más exitosa.
Las diluciones acuosas de viscosantes se realizan de forma que se disperse en
todo el volumen de agua, usando un agitador mecánico a 100 rpm durante una
hora. A continuación se deja reposar por 12 horas aproximadamente para
permitir que las moléculas de CMC ó Cellosize se disuelvan en las del agua.
Las diluciones de ambos viscosantes se presentan en la figura 10.
Figura10. Viscosantes diluidos a diferentes concentraciones
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4.2.2 Elaboración de la solución detergente base
La composición para un detergente líquido de uso industrial fue obtenida
mediante la revisión de literatura especializada en el tema (Showell 2006), y se
trabaja con una formulación flexible en la cual se permiten hacer variaciones de
acuerdo al objetivo final del detergente. La variación de pH se logra mediante la
manipulación de las cantidades empleadas de hidróxido de sodio y agua en la
formulación. La tabla 7 presenta una aproximación a las cantidades de cada
compuesto en gramos y su respectivo porcentaje dentro de la formulación.
Tabla 7. Composición del detergente liquido para 1 Litro ______________________________________________ Compuesto Fracción en peso Cantidad ____________
gr. ______________________________________________
ADBS Lineal 157.5 15.5 Soda Caústica 20.8 2.1
Nonil Fenol 10M 25.0 2.5 Agua 798.4 78.7
CMC/ Cellosize 12 1.2
Total 1013.7 100
______________________________________________
Debido a que durante la incorporación de los reactivos se desprenden vapores
nocivos para la salud, todo el procedimiento se debe llevar a cabo en la
campana de extracción, usando gafas y guantes de nitrilo por seguridad. El
procedimiento para la elaboración de detergente base se ilustra en la figura 11.
Primero se diluye el ADBS en la mitad del agua, agitando ligeramente gracias a
que este es un compuesto muy soluble en medio acuoso. Esta agitación
permite a las moléculas de los compuestos interactuar para una mejor
incorporación.
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Figura 11. Procedimiento para la elaboración de detergente base
A continuación se procede a añadir la soda cáustica de acuerdo a la
formulación, disuelta en el agua restante (un cuarto del agua total) de manera
lenta y uniforme manteniendo la agitación moderada debido a que la reacción
que ocurre es exotérmica, se libera calor por medio de vapores tóxicos y un
incremento de la temperatura en la solución. Posteriormente se espera a que el
sistema se enfríe a condiciones ambiente, y se adiciona el nonil fenol
mezclándolo levemente.
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4.2.2.1 Viscosidad y pH
De la misma forma en que se midió la viscosidad y el pH para los viscosantes
diluidos (numerales 4.2.1.2 y 4.2.1.3), se toma una muestra de 400 mL de la
solución detergente base y por medio del viscosímetro Brookfield y el pH-metro
digital se realizan las respectivas mediciones, con el fin de conocer algunas de
las propiedades del detergente antes de la incorporación de los viscosantes
para finalmente determinar su efecto.
4.2.2.2 Espumosidad
El poder espumante de una solución, mide la cantidad de espuma que es capaz
de realizar un compuesto cuando es altamente diluido en agua y sometido a
agitación durante un determinado tiempo. Su metodología se detalla en el
numeral 4.2.4.1.
4.2.3 Incorporación de viscosantes al detergente base
La investigación se realizó a través de un diseño de experimentos factorial 3k
donde k es el número de factores, en este caso son 3: velocidad de agitación,
pH y concentración del viscosante. Este método permite trabajar con un número
elevado de factores y son válidos para estrategias secuenciales lo cual se
ajusta a este caso.
La tabla 8 presenta los valores de los factores a estudiar en esta investigación.
La incorporación del CMC y del Cellosize se realizará empleando 27
tratamientos diferentes por cada viscosante donde se cambiaran de forma
aleatoria los tres factores estudiados: velocidades de agitación, concentraciones
del viscosante en la formulación del detergente y pH del detergente base, cada
uno a tres niveles clasificados como alto, medio y bajo.
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Tabla 8. Diseño experimental para incorporación de viscosante ________________________________________________________________ pH Concentración Velocidad
Viscosante (rpm) _________________________________________________________________ 1.Bajo (4) 1.Bajo (0.5%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800) 3.Alto (1000) 2.Medio (0.8%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800) 3.Alto (1000)
3. Alto (1%) 1.Bajo (500) 2.Medio (800)
3. Alto(1000)
2. Medio (6) 1. Bajo (0.5%) 1. Bajo(500) 2. Medio(800) 3. Alto (1000) 2. Medio (0.8%) 1. Bajo (500) 2.Medio (800) 3. Alto (1000) 3. Alto (1%) 1. Bajo (500) 2. Medio(800) 3. Alto (1000)
3. Alto (8) 1. Bajo(0.5%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto (1000) 2. Medio (0.8%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto(1000) 3. Alto (1%) 1. Bajo (500) 2. Medio (800) 3. Alto (1000)
_______________________________________________________________
*El pH se ajusta con soda caustica hasta que se llegue a la mejor dilución del viscosante dentro del rango de pH estipulado.
** CMC se identifica como a y Cellosize como b.
Como se muestra en la figura 12, la incorporación se realiza por medio de la
adición lenta del viscosante diluido al detergente base el cual es perturbado por
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medio de un agitador mecánico durante 10 minutos (debido a que el detergente
se comporta como una emulsión se usa un rango de tiempo de agitación de 7 a
10 minutos). Posteriormente así como en la dilución, se deja reposar durante
doce horas para evaluar si logró incorporarse.
Figura 12. Montaje para la incorporación de viscosante
En el caso de la CMC al poseer partículas más grandes y de menor
funcionalidad que las del Cellosize, se da un rango de 5 días, donde cada 24
horas se observa la muestra y se agita con una varilla de vidrio de acuerdo a
como se observe la solución con el objetivo de evaluar cualitativamente ésta.
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4.2.4 Caracterización del detergente líquido obtenido
4.2.4.1 Espumosidad
La espuma producida por el detergente en el momento en que inicia el proceso
de limpieza, presenta dos fases, una gaseosa que es la fase dispersa y la otra
liquida la cual es dispersante.
Para la evaluación del poder espumante se utiliza el método del cilindro, este
es uno de los más usados para la evaluación de espumosidad de los
detergentes a nivel mundial. En este se mide el volumen de espuma obtenido al
someter una disolución del detergente a un movimiento de 180° repitiéndolo 30
veces por un minuto (norma ASTM D1173).
Figura 13. Montaje poder espumante
Como se muestra en la figura 13 el montaje para medir el poder espumante
consiste en una probeta de 500ml con 200ml de solución acuosa del detergente
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al 1%. Se agita de la forma especificada anteriormente y se mide la espuma
obtenida cada 6 minutos durante media hora.
4.2.4.2 Viscosidad
La viscosidad de los fluidos no newtonianos como lo son los detergentes
líquidos, se define como la relación entre esfuerzo cortante y velocidad de
deformación, la cual presenta un comportamiento no lineal debido a se ve
afectada por variables como la temperatura y la presión, entre otros factores.
Figura 14. Montaje viscosidad
Para medir la viscosidad del detergente obtenido, el líquido se coloca en un
recipiente de 400 ml y se introduce en el viscosímetro que proporciona una
velocidad en el montaje como se observa en la figura 14, el viscosímetro
Brookfield reporta la viscosidad o capacidad de este fluido de moverse cuando
se somete a un esfuerzo, (norma ASTM D3716).
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El proceso de selección de aguja y de velocidad en el viscosímetro de
Brookfield se realiza generalmente por medio de ensayo y error. Sin embargo,
la aguja escogida debe producir al menos tres resultados entre 10% al 100%
de torque, para el tipo de soluciones como el detergente obtenido se usa la
aguja 64 que es una de las más pequeñas y se usa para altas viscosidades.
El rango de viscosidad máximo de esta aguja a cualquier velocidad es igual al
factor de la aguja multiplicado por 100+. Por otra parte la viscosidad mínima
que puede ser medida es igual a 10 veces el número de la aguja.
4.2.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente
La estabilidad acelerada es una serie de pruebas para determinar la
persistencia de un producto. Una estabilidad aceptable se puede definir como el
tiempo de almacenamiento y uso que una formulación particular permanece con
especificaciones físicas, químicas y de viabilidad constante y definida. Uno de
los factores principales a los que se somete el producto es a cambios de
temperatura, ya que se cree que éstos afectarán la estabilidad de una
formulación. Las temperaturas a probar son: 4ºC, 25 °C y 40ºC, escogidas de
manera tal que permitan observar el comportamiento del detergente a cambios
significativos de temperatura. Se toman tres muestras de cada prueba y se
someten cada una a la temperatura de interés para evaluar la estabilidad, para
la temperatura alta se usará un horno de temperatura controlada a 40°C, para
la temperatura media, se deja a condiciones ambiente (alrededor de 20°C) y
finalmente para la temperatura baja se utiliza un refrigerador (Congelador marca
Thermo) que lo somete a dicha temperatura. Cada evaluación se llevara a cabo
durante 12 horas. Las pruebas sometidas a esta evaluación son escogidas
aleatoriamente, cada una de un respectivo viscosante.
Las propiedades que se pretenden medir para cada temperatura, son: (1)
viscosidad del detergente, (2) evaluación cualitativa de las apariencias. El
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análisis de estabilidad se evaluará diariamente durante 2 días, midiendo la
viscosidad y la espumosidad en dos ocasiones, la primera al terminar el
sometimiento de las pruebas a las respectivas temperaturas y la segunda 24
horas después.
4.2.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial
Con el fin de comparar el detergente obtenido con uno comercial, se realizan
las mismas pruebas de caracterización del detergente al de tipo comercial.
Posteriormente se compara y analiza.
El detergente comercial escogido es detergente Ajax líquido floral, el cual es
un detergente multiusos de pH neutro, es producido por Colgate Palmolive.
Para efectos de comparación, su formulación es similar a la del detergente
elaborado para la experimentación, como se presenta en la tabla 9.
Tabla 9. Formulación del detergente comercial (Tomado de detergente Ajax floral multiusos) _____________________________________________
Compuesto Cantidad (%) _____________________________________________ Agua 83
Surfactantes 15 Viscosante 0.9 Esencia floral 0.7 Color 0.4
_____________________________________________
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5. Resultados obtenidos
5.1 Caracterización de los viscosantes Los viscosantes Carboximetil Celulosa (CMC) e Hidroxietil Celulosa (Cellosize)
fueron caracterizados con el fin de conocer algunas de sus propiedades físicas
y de ésta forma conocer las condiciones que aportan a la solución detergente.
5.1.1 Granulometría
Como se mencionó anteriormente, el análisis por tamizado o granulometría, se
realiza para obtener una aproximación de la distribución de partículas y el
tamaño de éstas. Se realizaron dos experimentos por cada viscosante, cada
uno de 20 gramos y en las tablas 10 y 11 se presentan el promedio de los
resultados de las dos pruebas. Los resultados son representados en las
gráficas 1, 2, 3 y 4. Tabla 10. Resultados obtenidos de granulometría de CMC ________________________________________________________
Mallas Abertura Fracción Diámetro Fracción del Tamiz, másica medio de acumulada Dpi (mm) retenida, xi partícula (mm) inferior a Dpi_________________________________________________________
18 1 0.0000 ------- 1.0000 35 0.5 0.0006 0.7500 0.0994 60 0.25 0.0210 0.3750 0.9784
120 0.125 0.1588 0.1875 0.8196 Tapadera ----- 0.8196 0.0625 0.0000
_________________________________________________________
Tabla 11. Resultados obtenidos de granulometría de Cellosize __________________________________________________________ Mallas Abertura Fracción Diámetro fracción
del Tamiz, másica medio de acumulada Dpi (mm) retenida, xi partícula (mm) inferior a Dpi__________________________________________________________
18 1 0.0035 ------- 1.0000 35 0.5 0.0050 0.7500 0.9915
60 0.25 0.0240 0.3750 0.9675 120 0.125 0.0574 0.1875 0.9101
Tapadera ----- 0.9101 0.0625 0.0000 __________________________________________________________________
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Gráfica1. Análisis diferencial de partículas de CMC
Gráfica2. Análisis acumulativo de partículas de CMC
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Gráfica3. Análisis diferencial de partículas de Cellosize
Gráfica4. Análisis acumulativo de partículas de Cellosize
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5.1.2 Viscosidad
Se midió la viscosidad de soluciones de Carboximetil celulosa y Cellosize en
agua al 1%, a una temperatura de 18 ºC y se utilizó la aguja 64 del
viscosímetro Brookfield para conocer la resistencia a la fuerza del fluido en
movimiento, los resultados se muestran en la gráfica 5.
Gráfica5. Viscosidades de CMC y Cellosize al 1%
5.1.3 pH
La medición de pH se realizó a temperatura de 18ºC, presión ambiente y con
las muestras de CMC Y Cellosize disueltas cada una al 1% en peso. Los
valores encontrados son:
- pH (CMC) = 7.48
- pH (Cellosize) = 6.14
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5.2 Elaboración de la solución detergente base
5.2.1 Viscosidad
Se realiza el procedimiento descrito (numeral 4.2.2) para la obtención del
detergente y se midieron tanto la viscosidad del producto obtenido como el pH
con el fin de conocer estos valores antes de ser incorporado el viscosante. Los
resultados se presentan en la tabla 12 y se ilustran en la gráfica 6.
T abla 12. Resultados de viscosidad del detergente líquido______________________________________________
Velocidad Viscosidad Aguja 64 Cizallamiento dinámica ____________ ____________
Rpm cPs ______________________________________________
10 1923 20 1766
30 1520 60 1206
100 1085
_____________________________________________
Gráfica 6. Viscosidad del detergente base.
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El detergente fue separado en 3 recipientes para que cada uno tuviera una
cantidad de hidróxido diferente tal que alcanzara el pH de 4, 6 y 8
respectivamente, la diferencia entre estos fue entre 1 a 2 gramos.
5.2.2 Influencia de la cantidad de soda cáustica en el pH del detergente
Para conocer la influencia de la cantidad de hidróxido de sodio en el pH final del
detergente base, se realizaron 7 pruebas, para cada una se tomo la formulación
del detergente ajustando las cantidades de cada reactivo para 100ml de
solución. Se fijó la cantidad de Hidróxido de 2.5% y se fue reduciendo su
cantidad en peso para conocer el pH final alcanzado, la tabla 13 y gráfica 7
ilustran los resultados.
Gráfica 7. Efecto de la cantidad de soda cáustica empleada en la formulación respecto al pH del detergente base.
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Tabla 1 n el pH 3. Resultados de influencia de soda cáustica e_____________________________________
Concentración pH ______________________________________
0.3 1.3
0.4 1.5 0.5 2.0
0.6 1.7 0.7 13.2 0.8 12.9 0.9 13.3 1 13.6
______________________________________
5.2.3 Espumosidad
La tabla 14 muestra los resultados de poder espumante para el detergente
antes de ser incorporado cualquier viscosante, se evaluaron los tres
detergentes que tenían pH de 4, 6 y 8 respectivamente. Tabla 14. Resultados de espumosidad del detergente base
_______________________________________ pH Espumosidad
Tiempo (min) Volumen (ml) ______________________________________
4 0 480 6 440
12 400 18 380
24 360 30 350
6 0 470 6 420
12 390 18 370 24 360 30 350
8 0 470 6 420 12 370 18 360 24 360 30 350
____________________________________
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5.3 Incorporación de viscosantes al detergente base
5.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base
Se siguió el procedimiento mencionado en el numeral 4.2.3 para 3 pruebas
escogidas de manera aleatoria, con el fin de observar el comportamiento de la
CMC en el detergente. Las muestras se dejaron en reposo a condiciones
ambiente. Luego de 5 días se observó que se formó una capa gruesa del
viscosante en la parte superior de las muestras mientras en la inferior
permaneció el detergente. Por esta razón se procedió a un precalentamiento del
detergente base a una temperatura de 30°C durante 10 minutos y
posteriormente se sometió al procedimiento antes mencionado de
incorporación. Nuevamente se dejo reposar y al cabo de 5 días se observo una
incorporación exitosa.
5.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base
Con respecto a Cellosize, no hubo inconvenientes en la incorporación pues se
llevo a cabo de manera exitosa desde el comienzo, es decir, se realizó el mismo
procedimiento de prueba que con CMC obteniendo una correcta incorporación.
5.4 Caracterización del detergente líquido obtenido
Para la caracterización de las 54 muestras se realizaron los procedimientos del
numeral 4.2.4, los resultados se presentan a continuación.
5.4.1 Espumosidad
Para determinar la espumosidad se tomaron 6 datos por cada prueba (Como
se mencionó en la metodología), en las tablas que se presentan a continuación
se presentan las condiciones del experimento, el tiempo transcurrido y el
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volumen de espuma sumado con el de líquido, este volumen fue de 200ml para
todas las pruebas.
5.4.1.1 CMC
Tabla 15. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 16. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 17. Espumosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 18. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 19. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 20. Espumosidad de CMC a pH = 6, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 21. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 22. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 23. Espumosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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5.4.1.2 Cellosize
Tabla 24. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 25. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 26. Espumosidad de Cellosize a pH = 8, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 27. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 28. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 29. Espumosidad de Cellosize a pH = 6, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 30. Espumosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 31. Espumosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 32. Espumosidad de Cellosize a pH = 4, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
5.4.2 Viscosidad
5.4.2.1 CMC
Tabla 33. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 34. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 35. Viscosidad de CMC a pH = 8, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 36. Viscosidad de CMC a pH 6, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 37. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 38. Viscosidad de CMC a pH = 6, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 39. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 40. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 41. Viscosidad de CMC a pH = 4, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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5.4.2.2 Cellosize
Tabla 42. Viscosidad de Cellosize a pH =8, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 43. Viscosidad de Cellosize a pH =8, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 44. Viscosidad de Cellosize a pH =8, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 45. Viscosidad de Cellosize a pH =6, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
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Tabla 46. Viscosidad de Cellosize a pH =6, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 47. Viscosidad de Cellosize a pH =6, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
79
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IQ-2008-1-45
Tabla 48. Viscosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 1000rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
Tabla 49. Viscosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 800rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
80
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IQ-2008-1-45
Tabla 50. Viscosidad de Cellosize a pH =4, Velocidad= 500rpm y concentraciones
de 0.5, 0.8 y 1%.
5.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente
Se tomaron de forma aleatoria las pruebas enlistadas en la tabla 54 y se siguió
el procedimiento enunciado en el numeral 4.2.4.3. Con el objetivo de analizar el
comportamiento de las muestras se realizaron medidas de viscosidad de la
forma enunciada en el numeral 4.2.4.2 y de espumosidad como lo indica el
numeral 4.2.4.1. Los resultados se observan en las tablas 52, 53 y tabla 54.
Tabla 51. Muestras escogidas para examinar la estabilidad del viscosante _______________________________________________________________________
N. de muestra pH Velocidad Concentración Viscosante _______________________________________________________________________ 1 8 1000 1 Cellosize 2 8 500 0.8 Cellosize 3 4 1000 0.5 Cellosize 4 4 500 0.8 CMC 5 6 800 0.5 CMC 6 6 800 1 CMC
_______________________________________________________________________________
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Tabla 52. Muestras sometidas a temperatura ambiente (alrededor de 20°C)
____________________________________________________________________________ N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________
Día 1 Espumosidad (ml) 430 460 440 410 460 440 Viscosidad (cPs) 4250 2600 4890 3860 2245 3965
___________________________________________________________________________________
* La viscosidad se reporta a una velocidad de 30rpm
Tabla 53. Muestras sometidas a 4°C ____________________________________________________________________________
N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________ Día 1 Espumosidad (ml) 430 450 430 410 460 430
Viscosidad (cPs) 6950 4610 7786 5239 5230 5763
Día 2 Espumosidad (ml) 430 450 440 410 460 430
Viscosidad (cPs) 4310 2700 5100 3832 2210 4130
___________________________________________________________________________________
Tabla 54. Muestras sometidas a 40°C ___________________________________________________________________________
N. de muestra 1 2 3 4 5 6 ____________________________________________________________________________ Día 1 Espumosidad (ml) 430 470 450 410 470 450
Viscosidad (cPs) 3800 930 1578 3210 1973 1576
Día 2 Espumosidad (ml) 430 460 440 410 460 450
Viscosidad (cPs) 4200 1504 2000 3763 2220 1854
___________________________________________________________________________________
Además de los cambios cuantitativos presentados, se observo que el
detergente que emplea Cellosize recupera su apariencia visual al cabo de 24
horas, más sin embargo para las pruebas con CMC se observo un ligero
82
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IQ-2008-1-45
cambio en el color y en la homogeneidad ya que algunas muestras tomaron
zonas de heterogeneidad de color blanco.
5.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial
Se realizo la evaluación de las propiedades de viscosidad y espumosidad al
detergente Ajax multiusos floral a condición ambiente los resultados se enlistan
en la tabla 55
Tabla 55. Propiedades detergente comercial Ajax floral multiusos.
Propiedad Valor
pH 6
Viscosidad
(30 rpm,20°C, cPs)
4000
Tiempo(min) Espuma(mL)
0 480
6 450
12 410
18 370
24 360
Espumosidad
30 350
83
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6. Análisis de resultados
6.1 Caracterización de los viscosantes
6.1.1 Granulometría
Como se puede ver en las gráficas 8 y 9, las cuales resumen las gráficas 1 a 4,
conforme a los resultados del análisis de granulometría realizado a los
viscosantes, se observa que ambos presentan un comportamiento similar, pues
ambas curvas son similares, sin embargo la gráfica de Cellosize de análisis
acumulativo (gráfica 9) muestra una pendiente un poco mayor que la de CMC
(Gráfica2). La gráfica de análisis diferencial de Cellosize (Gráfica 3) dibuja una
curva un poco más alta y angosta, mostrando que Cellosize presenta partículas
mas finas, pues a un diámetro de malla menor a 0.125mm, el 91% de los
granos se retienen mientras que para CMC solo el 82% se retiene.
Gráfica 8. Análisis diferencial de partículas de los viscosantes
84
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Gráfica 9. Análisis acumulativo de partículas de los viscosantes
Al ser las partículas de CMC un poco más grandes que las de Cellosize, se le puede atribuir que por ésta característica sea más difícil de diluir.
La estabilidad de un detergente está relacionada con el tamaño de grano del viscosante debido a que estas partículas se suspenden en la solución detergente y al tener mayor área superficial hay mayor control sobre el movimiento de las partículas, por lo que se puede predecir que el Cellosize tendrá mayor estabilidad.
6.1.2 Viscosidad
Al medir la viscosidad con el viscosímetro de Brookfield, se observa que cuando la fuerza del torque está por debajo del 10% no se obtendrá una medida segura ya que no es lo suficientemente viscoso. Las mediciones presentadas se registran para valores superiores al 10% por lo que se puede confiar en los resultados obtenidos. Por otra parte se observo que la aguja utilizada (64) es la más apropiada para este tipo de solución que es viscosa, ya que esta le proporciona la fuerza de inducción al movimiento adecuada y se ajusta al rango estimado de viscosidad reportado en la hoja técnica.
85
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La disolución del Cellosize fue más sencilla que la de la CMC, ya que para
ambas fue necesario usar una agitación eléctrica pero para el Cellosize la
agitación empleo menor tiempo.
La viscosidad de la CMC diluida en agua al 1% es considerablemente mayor
que la de Cellosize a la misma dilución ya que a las mismas condiciones de
temperatura y presión ambiente (18ºC) y al valor de interés (30rpm) difieren en
un poco mas de 200cPs. Ambos viscosantes presentan comportamiento
pseudo-plástico pues a medida que fue aumentando la viscosidad de
cizallamiento en el experimento, su viscosidad fue disminuyendo.
La caracterización realizada de los viscosantes es similar al valor de la hoja
técnica de cada uno; mientras que en la hoja técnica se reporta una viscosidad
para la CMC (1%) entre 1500 hasta 2000 cPs a una velocidad de 30 rpm, la
experimentación reveló un valor de 1580 cPs (gráfica 5) a la misma velocidad.
En el caso del Cellosize (1%), la hoja técnica reporta un valor entre 1000 hasta
1400 cPs a 30 rpm, experimentalmente se encontró aproximadamente 1046
cPs a la misma velocidad.
6.1.3 pH
Con respecto al pH de los viscosantes, la hoja técnica coincide con los valores
obtenidos experimentalmente, para la CMC (1% ) se reporta un dato de pH
entre 6 hasta 8, se obtuvo un valor de 7.48 y para el Cellosize se reporta un pH
desde 5 hasta 7 y experimentalmente se obtuvo un valor de 6.14. Sin embargo
la temperatura que la hoja técnica reporta ambos los datos era de 25 °C,
mientras que en el laboratorio se mantuvo temperatura ambiente de
aproximadamente 18 °C, lo cual muestra la poca influencia de la temperatura en
la acidez.
86
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6.2 Elaboración de la solución detergente base
6.2.1 Viscosidad
A un valor de 30rpm, el detergente base reporta un valor de viscosidad de1520
cPs, este resultado se debe a la presencia de ácido sulfónico en la formulación
pues es un reactivo denso.
La solución detergente base es un fluido pseudo-plástico ya que al medir su
viscosidad se observa que a medida que la velocidad de cizallamiento baja,
aumenta la viscosidad como se puede ver en comportamiento de la gráfica 6.
6.2.2 Influencia de la cantidad de soda caústica en el pH del detergente
La gráfica 7 muestra la influencia de la disminución de la cantidad de soda
cáustica en la formulación sobre el pH del detergente base, se puede apreciar
que un ligero cambio en la cantidad de soda ocasiona un cambio abrupto en la
alcalinidad del detergente.
Para obtener el rango de pH que se requiere (de 4 a 9) son necesarios de 13
(60% de la cantidad normal de hidróxido en una formulación para 1 L) a 16
gramos (70%) de soda cáustica diluidos en agua en la formulación para 1 Litro
de detergente.
6.2.3 Espumosidad
Se puede ver que a menor pH, hay mayor cantidad de espuma inicial
alcanzada, sin embargo, la espuma producida cae mucho mas rápido que con
los pH de 6 y 8, esto sugiere que el hidróxido de sodio, influye en alguna
medida el poder espumante de una solución.
87
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6.3 Incorporación de viscosantes al detergente base
Al incorporar cada viscosante a la solución detergente base respectivamente,
se observo inicialmente una aglomeración del viscosante alrededor del agitador
mecánico, a lo largo de los 10 minutos que se dejo el agitador (este tiempo es
estimado para emulsiones) el viscosante se distribuyo en la solución detergente
logrando una mezcla homogénea y por supuesto aparentemente mas viscosa.
Esta aglomeración varió con el porcentaje de dilución del viscosante, así para el
más concentrado hubo mayor.
6.3.1 Protocolo de incorporación de CMC al detergente base
Las pruebas escogidas de manera aleatoria de CMC incorporado en el
detergente se dejaron en reposo y a condiciones ambiente. Luego de
aproximadamente 5 días se observó que se formó una capa gruesa del
viscosante en la parte superior de las muestras mientras en la inferior
permaneció el detergente. Por esta razón se procedió a un precalentamiento del
detergente base a una temperatura de 30°C durante 10 minutos y
posteriormente se sometió al procedimiento antes mencionado de
incorporación. Nuevamente se dejo reposar y al cabo de 5 días se observo una
incorporación exitosa.
Con respecto a la incorporación de CMC, se presentaron dificultades
posiblemente debido a que la cantidad de agua distribuida a la dilución de
viscosantes fue muy poca (1/4 de la cantidad total) y en apariencia los
viscosantes se veían con una viscosidad considerable sobre todo el de
Carboximetil. Como las incorporaciones de CMC inicialmente parecían
homogéneas se pensó que serían exitosas, pero al cabo del tercer día se
empezó a formar una capa en la parte superior, que se fue volviendo más
gruesa al cabo de 2 días más.
88
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IQ-2008-1-45
Se tomo la decisión de precalentar el detergente pues una alta temperatura
contribuiría a la solubilidad del viscosante en el detergente. La temperatura fue
relativamente baja, pero el tiempo fue el necesario para alcanzar esa
temperatura sobre toda la mezcla. No se optó por precalentar el viscosante
aunque pudo ser otro método probablemente efectivo para ayudar a incorporar.
6.3.2 Protocolo de incorporación de Cellosize al detergente base
Con respecto a Cellosize, no hubo inconvenientes en la incorporación pues se
llevo a cabo de manera exitosa desde el comienzo, es decir, se realizó el mismo
procedimiento de prueba que con CMC obteniendo una correcta incorporación
sin necesidad de tratamiento térmico.
La incorporación de todas 27 muestras de Cellosize fue lograda
satisfactoriamente, esto hace referencia a que a medida que pasó el tiempo
después de la incorporación, el detergente líquido permaneció igual, con
características de homogeneidad en toda la muestra sin ninguna formación de
grumos pequeños.
Esto se le atribuye a las partículas mucho más finas que presenta Cellosize con
respecto CMC, gracias a esto, presenta mayor dilución tanto en agua como en
el detergente sin ayuda de agentes externos como calor. Sin embargo si es
necesaria la agitación de la mezcla.
6.4 Caracterización del detergente líquido obtenido
6.4.1 Espumosidad
Para determinar la espumosidad se tomaron 6 datos por cada prueba (Como
se mencionó en la metodología) aunque solo se registra el primero.
La prueba de espumosidad al ser por el método del cilindro, como se describió
en el numeral 4.2.4.1, es una prueba en la cual la agitación es manual, pues se
89
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
realiza la agitación sometiendo a un giro de 180ºC la probeta durante un
determinado numero de veces, sin embargo al ser manual, no siempre se
realizará la agitación con la misma fuerza, lo cual puede generar un error en el
experimento.
6.4.1.1 CMC
Las tablas 15 a 23 muestran los datos obtenidos de manera experimental, de
estos datos se puede inferir que aparentemente el factor velocidad no tiene un
efecto en los valores obtenidos de poder espumante.
Puede notarse también que un valor de concentración bajo a cualquier tipo de
pH logra alcanzar un mayor volumen final alcanzado, también se puede
apreciar que las muestras con CMC tardan más en disminuir su cantidad de
espuma, pues cada 12 minutos se reduce aproximadamente a 10mL mientras
que muestras con Cellosize disminuyen la misma cantidad en la mitad del
tiempo. Esto se le puede atribuir al poder estabilizante de espuma que presenta
la Carboximetil celulosa.
6.4.1.1.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante entre factores para CMC
Gráfica 10. Resultados estadísticos de los datos de espumosidad a t =0min para CMC
90
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
1000800500 0.0100.0080.005
450
425
400
450
425
400
P h
Veloc
conc
468
Ph
500800
1000
Veloc
Interaction Plot for espumData Means
Gráfica 11. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de CMC
864
460
450
440
430
4201000800500
0.0100.0080.005
460
450
440
430
420
Ph
Mea
n
Veloc
conc
Main Effects Plot for espumData Means
Gráfica 12. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de CMC
91
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
8
350 6
400
450
0.00500.0075 4
0.0100
espum
Ph
conc
Surface Plot of espum vs Ph, conc
Gráfica 13. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de CMC
8
350 6
400
450
500750 4
1000
espum
Ph
Veloc
Surface Plot of espum vs Ph, Veloc
Gráfica 14. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de CMC
92
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
1000
350 750
400
450
0.00500.0075 500
0.0100
espum
Veloc
conc
Surface Plot of espum vs Veloc, conc
Gráfica 15. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de
CMC
Tabla 56. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC _______________________________________________________________________
Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 1714.8 1714.8 857.4 3.65 0.040 Vel 4048.1 4048.1 2024.1 8.61 0.001 Conc 12070.4 12070.4 6035.2 25.66 0.000
pH *Vel 2796.3 2796.3 699.1 2.97 0.037 pH *Conc 707.4 707.4 176.9 0.75 0.565
Vel*Conc 2274.1 2274.1 568.5 2.42 0.073 pH *Vel*Conc 4914.8 4914.8 614.4 2.61 0.029
Error 6350.0 6350.0 235.2 Total 34875.9
_______________________________________________________________________________
ANOVA es una herramienta del programa Minitab, que realiza un análisis
estadístico de los datos, para determinar la forma en que se correlacionan los
factores y la incidencia de cada uno de estos factores. Los datos son
reportados, se calcula la media, se ajustan por medio de la suma de mínimos
93
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
cuadrados y se calcula el valor del test F junto con la probabilidad (P) de
encontrar un F mayor al valor crítico.
Las gráficas residuales presentan tres condiciones necesarias para realizar el
tratamiento de datos de una manera confiable usando ANOVA, estos son:
normalidad, varianza constante e independencia de los datos. Como se observa
(Gráfica6) estas tres condiciones se cumplen para todos los datos analizados.
La tabla 56 muestra los datos para cada factor y sus posibles combinaciones.
Estas pruebas manejan un nivel de significancia de 0.05. La hipótesis nula (H0)
consiste en que ningún valor de un factor tiene influencia significativa sobre la
propiedad a evaluar (poder espumante o viscosidad) pues todos son
semejantes. La hipótesis alternativa (HA) consiste en que por lo menos uno de
los valores del factor tiene influencia significativa.
Según el análisis obtenido para espumosidad en CMC, se indica en la tabla 56
que los factores que afectan el poder espumante son el pH, la velocidad, la
concentración de viscosante, pH-Velocidad y la unión de los 3 factores. Sin
embargo debe tenerse en cuenta que el efecto del pH-velocidad aunque es
influyente, tiene un ligero efecto para los valores de pH de 8 (ver grafica 12 ).
De la gráfica 11 puede observarse que la mayor cantidad de espuma se
alcanza a un pH de 4, que los valores más altos de espuma se alcanzan con
una velocidad de 1000rpm, la gráfica 12 muestra que es bastante susceptible a
aumentos de concentración, esto se ve en las considerables disminuciones de
pendiente de las líneas.
6.4.1.2 Cellosize
De los resultados de las tablas 24 a 32 se puede decir que nuevamente el
efecto de la velocidad de agitación en la incorporación no parece desempeñar
94
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
un papel importante en las propiedades del producto pues hay similitud en los
datos obtenidos.
La concentración de viscosante en la formulación detergente es importante, se
ve un patrón muy notorio en Cellosize, es decir, se aprecian disminuciones de
poder espumante a mayor concentración de viscosante pero no es tan obvio,
además pareciera que tampoco el pH tuviera efectos en el detergente final. Esto
sería de esperarse ya que en ese sentido Cellosize es mucho más estable que
CMC pues puede manejar un intervalo más amplio de pH sin verse afectado.
6.4.1.2.1 Análisis ANOVA del efecto de poder espumante entre factores para Cellosize
Gráfica 16. Resultados estadísticos de los datos reportados de espumosidad a t = 0min para
Cellosize
95
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
1000800500 0.0100.0080.005
450
425
400
450
425
400
pH
Velocidad
Concentracion
468
pH
500800
1000
Velocidad
Interaction Plot for espumosidadData Means
Gráfica 17. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en espumosidad de
Cellosize
864
450
440
430
420
4101000800500
0.0100.0080.005
450
440
430
420
410
pH
Mea
n
Velocidad
Concentracion
Main Effects Plot for espumosidadData Means
Gráfica 18. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en poder espumante de
Cellosize
96
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
8
400
6
425
450
475
0.00500.0075 4
0.0100
espumosidad
pH
Concentracion
Surface Plot of espumosidad vs pH, Concentracion
Gráfica 19. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en espumosidad de
Cellosize
8
400
6
425
450
500
475
750 41000
espumosidad
pH
Velocidad
Surface Plot of espumosidad vs pH, Velocidad
Gráfica 20. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en espumosidad de Cellosize
97
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
1000
400
750
425
450
475
0.00500.0075 500
0.0100
espumosidad
Velocidad
Concentracion
Surface Plot of espumosidad vs Velocidad, Concentracion
Gráfica 21. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en espumosidad de
Cellosize
Tabla 57. Análisis de varianza de espumosidad usando mínimos cuadrados en test para Cellosize
_______________________________________________________________________ Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 1337.0 1337.0 668.5 3.88 0.033 Vel 959.3 959.3 479.6 2.78 0.080 Conc 10692.6 10692.6 5346.3 31.04 0.000
pH *Vel 985.2 985.2 246.3 1.43 0.251 pH *Conc 685.2 685.2 171.3 0.99 0.427
Vel*Conc 2763.0 2763.0 690.7 4.01 0.011 pH *Vel*Conc 3225.9 3225.9 403.2 2.34 0.047
Error 4650.0 4650.0 172.2 Total 25298.1
_________________________________________________________________
De la tabla 57 y gráficas 16 a 21, se puede determinar que los factores
considerables en poder espumante para Cellosize son: PH, concentración,
velocidad-concentración, y los tres factores juntos.
98
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Puede verse la clara influencia de la concentración en el poder espumante de
Cellosize, pues la gráfica 17 muestra pendientes altas y negativas, así que del
factor concentración, la espumosidad es alterada de mayor forma por una
concentración de 1% de Cellosize, pues su relación es inversamente
proporcional prácticamente.
De las gráficas 17 y 18, se puede ver que la mayor cantidad de espuma se
produce a una velocidad de 1000rpm aunque no es un efecto relevante.
Finalmente puede determinarse que el pH tiene un ligero efecto en la
espumosidad de Cellosize, ya que en la gráfica 18 se observa que hay una
variación entre los niveles de este factor.
El efecto de los 3, aunque tiene importancia, no es un efecto tan relevante pues
además del valor reportado en la tabla (P=0.047) que indica que esta cercano
al valor al que se aprueba la hipótesis nula (0.05),en la gráfica de interacción no
logra verse muy clara la interacción entre estos.
6.4.2 Viscosidad
Después de adicionar los viscosantes al detergente base, se observa que el
comportamiento reológico del detergente no se vio afectado por ninguno de
estos, pues los datos de viscosidad obtenidos conservan el comportamiento de
fluido pseudo- plástico.
6.4.2.1 CMC
De las tablas 33 a la 41, se puede determinar que una mayor concentración de
CMC ocasiona un mayor valor de viscosidad, pues al dato de interés (30rpm) se
puede apreciar que se va incrementando en un valor de 1000 cPs
aproximadamente entre muestras.
99
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Nuevamente la velocidad no parece tener mayor influencia sobre los resultados
de caracterización del detergente, sin embargo este efecto se puede determinar
con mayor precisión en el tratamiento estadístico de datos.
Con respecto al pH, se puede ver una tendencia a aumentar la viscosidad
cuando se aumenta el pH, aunque es un comportamiento que es ligeramente
influyente pues los valores de viscosidades no difieren de manera tan
considerable.
6.4.2.1.1 Análisis ANOVA del efecto de la viscosidad entre factores para CMC
Gráfica 22. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para CMC
100
IQ-2008-1-20
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Gráfica 23. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC
Gráfica 24. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de CMC
101
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Gráfica 25. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de CMC
Gráfica 26. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de CMC
102
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Gráfica 27. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de
CMC
Tabla 58. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para CMC _______________________________________________________________________
Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 422061 422061 211031 15.93 0.000 Vel 64732 64732 32366 2.44 0.106 Conc 38242630 38242630 19121315 1443.20 0.000
pH *Vel 126218 126218 31555 2.38 0.076 pH *Conc 1767270 1767270 441818 33.35 0.000
Vel*Conc 442581 442581 110645 8.35 0.000 pH *Vel*Conc 1249517 1249517 156190 11.79 0.000
Error 357729 357729 13249 Total 42672740
_______________________________________________________________________________
Con respecto al análisis estadístico entre datos para determinar el efecto de los
factores en la viscosidad, se encuentra que para CMC los factores relevantes
son pH, concentración, pH-concentración, Velocidad-concentración y pH-
velocidad-concentración según lo obtenido en la tabla 58.
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De las gráficas se puede decir que a mayor concentración de viscosante habrá
mayor viscosidad final, sin embargo es mucho más relevante el cambio que se
realiza de 0.5 a 0.8 de concentración que de 0.8 a 1, esto se ve por las
pendientes de la gráfica 23.
El efecto de la velocidad es prácticamente despreciable, pues un cambio de
velocidades no ocasiona pendientes, así que la viscosidad no se ve alterada por
la velocidad de agitación en la incorporación.
El pH, si tiene un efecto, puede notarse en el cambio de 6 a 8 donde se produce
un aumento en la viscosidad, Probablemente esto se debe a la susceptibilidad
de la CMC a los cambios de pH ya que aumenta las fuerzas iónicas de la
molécula haciendo que esta se pliegue y aumente su viscosidad.
6.4.2.2 Cellosize
Las tablas 42 a 50 reportan el comportamiento de las 27 pruebas de viscosidad
para Cellosize, estos datos demuestran que la velocidad no es un factor
relevante para alcanzar las condiciones finales del producto.
Al igual que la CMC, un aumento en la concentración de viscosante incrementa
la viscosidad en entre 800 y 900 cPs para Cellosize, aunque el valor a las
mismas condiciones entre viscosantes es menor para Cellosize.
Como se esperaba, el pH no parece afectar la viscosidad de Cellosize pues
este rango de pH de la experimentación lo logra manejar sin desestabilizarse ni
desactivarse
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6.4.2.2.1 Análisis ANOVA del efecto de la viscosidad entre factores para Cellosize
Gráfica 28. Resultados estadísticos de los datos reportados de viscosidad a 30 rpm para
Cellosize
Gráfica 29. Interacción de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de
Cellosize
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Gráfica 30. Efectos de los factores pH, concentración y velocidad en la viscosidad de Cellosize
Gráfica 31. Análisis de superficie de los factores pH y concentración en la viscosidad de
Cellosize
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Gráfica 32. Análisis de superficie de los factores pH y velocidad en la viscosidad de Cellosize
Gráfica 33. Análisis de superficie de los factores concentración y velocidad en la viscosidad de
Cellosize
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Tabla 59. Análisis de varianza de viscosidad usando mínimos cuadrados en test para
Cellosize _______________________________________________________________________
Factor Seq SS Adj SS Adj MS F P _______________________________________________________________________ pH 35200 35200 17600 3.38 0.049 Vel 71186 71186 35593 6.84 0.004 Conc 34687109 34687109 17343554 3331.93 0.000
pH *Vel 53943 53943 13486 2.59 0.059 pH *Conc 462698 462698 115674 22.22 0.000
Vel*Conc 314921 314921 78730 15.13 0.000 pH *Vel*Conc 556106 556106 69513 13.35 0.000
Error 140542 140542 5205 Total 36321705
_______________________________________________________________________________
La tabla 59 indica que los factores determinantes en el efecto de viscosidad
del detergente empleando Cellosize son velocidad, concentración, pH-
concentración, velocidad-concentración y pH-velocidad-concentración. Esto se
determina ya que son valores P son menores que el nivel de significancia, por
esto, se rechaza la hipótesis nula y con un solo valor de factor que sea
significativamente diferente, el factor se hace relevante.
La gráfica 29 presenta de forma clara que a medida que se aumenta el
viscosante en la formulación aumenta la viscosidad. La gráfica 30 demuestra
diferencias en la viscosidad de aproximadamente 1000 cPs entre las
concentraciones. Aunque la pendiente de concentración entre 0.5 a 0.8 es mal
alta que la de 0.8 a 1.
Se presenta también el efecto de la velocidad, en la gráfica 30 se puede
analizar que un cambio en velocidad de 500 a 800 ocasiona una disminución
en el valor de viscosidad mientras que de 800 a 1000 casi que se mantiene
constante. Esto se debe a que a bajas velocidades, el arreglo molecular de
Cellosize está aleatoriamente distribuido, lo cual ocasiona un alto grado de
desorden y consecuentemente alta viscosidad. Por el contrario, cuando hay
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altas velocidades, las moléculas se orientan con respecto a la dirección del
flujo, por lo tanto disminuye la resistencia a este.
Por último, se puede apreciar que el pH no es un factor decisivo en la
viscosidad, pues no hay respuesta significativa si se aumenta o disminuye este
nivel.
6.4.3 Estabilidad del viscosante en el detergente
Gráfica 34. Resultados de estabilidad en la viscosidad del detergente
Gráfica 35. Resultados de estabilidad en el poder espumante del detergente
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Se puede ver de las gráficas 34 y 35 que son la representación de los
resultados de las tablas 52 a 54 que la estabilidad en general es buena, era de
esperarse que a temperatura ambiente no cambiaran sus propiedades de
viscosidad ni espumosidad, por eso solo se reporta lo de un día. Con respecto a
la estabilidad a 40°C se puede ver que la temperatura produce una caída en la
viscosidad de más de 1000 CPS, así como también en el poder espumante
ligeramente; después de 1 día se observa que para el Cellosize ambas
propiedades retornan a aproximadamente sus valores iniciales, más sin
embargo para la CMC los valores no se recuperan a pesar de que la muestra
vuelve a temperatura ambiente. Esto se le atribuye a que el efecto de la
temperatura en la CMC es irreversible a menos que sea una temperatura
bastante moderada (aproximadamente 10 ºC de aumento) que no degrade el
compuesto. Esto se debe a que la CMC es un polímero de alto peso molecular
y estructura desordenada, cuando se aumenta la temperatura, las moléculas
empiezan a orientarse y de esta forma fluye con más facilidad, en la medida en
que se orienta, es difícil devolverla a su estado original.
Finalmente la estabilidad a 4°C muestra que el poder espumante permanece
prácticamente constante para ambos viscosantes, mientras que la viscosidad si
aumenta en aproximadamente 1000cPs. Después de ser enfriada y sometida
nuevamente a condición ambiente se observa nuevamente que el Cellosize
recupera sus valores iniciales de viscosidad y espumosidad mientras que en la
CMC se ven afectados permanentemente con un aumento en la viscosidad de
aproximadamente 100 cPs.
6.4.4 Comparación de propiedades con un detergente líquido comercial
Se puede determinar, que las propiedades de viscosidad y espumosidad del
detergente comercial son similares a los de la experimentación.
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La espumosidad de las muestras con pH= 6 manejan la misma cantidad de
espuma, lo cual se puede atribuir a que ambos tienen la misma cantidad de
surfactante en la formulación (15%) (Ver tabla 9). Sin embargo, la espuma del
detergente comercial es menos estable, mientras que para el detergente de la
experimentación con CMC y Cellosize se observa una disminución
aproximadamente de 10 mL cada 6 y 12 minutos respectivamente, para el
comercial hay una disminución de aproximadamente 30 mL en el mismo tiempo.
Con respecto a la viscosidad del detergente experimental con CMC, la del
detergente comercial es menor aproximadamente 700 cPs. Así mismo, es
ligeramente menor a la del detergente experimental con Cellosize, con una
diferencia de aproximadamente 150 cPs.
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7. Conclusiones
El factor de la concentración de viscosante en la formulación detergente es
sin duda objeto de estudio para alcanzar las propiedades deseadas en un
detergente de uso comercial. Si se quiere un detergente viscoso y de buen
poder espumante, debe tenerse en cuenta la CMC en concentración alta,
mientras que para valores más bajos de estas propiedades se puede
trabajar una formulación con menor cantidad presente.
La herramienta ANOVA es de gran utilidad, pues hay correlaciones de
factores que no son observables con los datos reportados en el laboratorio,
además esto da un indicativo de la distribución de los datos, del error entre
ellos y la confiabilidad de las interpretaciones basadas en la distribución de
las variables de respuesta.
Existe el procedimiento que facilita la incorporación de CMC a una solución
detergente, que es aplicar agentes externos como calor y agitación. Sin
embargo, a escala industrial esto es un gasto energético, así que en el
momento de comparar beneficios, puede decirse que aunque Cellosize es
un poco más costoso que CMC, y aunque para alcanzar la misma
viscosidad de CMC requiere una cantidad un poco mayor, no requiere un
pre-tratamiento para el proceso de incorporación así que sería una
comparación de gasto de reactivos (Cellosize) contra un gasto de operación
(CMC).
Inicialmente se propuso obtener un protocolo par la incorporación de CMC
que facilite las condiciones de implementación, mediante este estudio se
determinaron las condiciones y se sugiere el protocolo que se presenta en la
figura 15.
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Figura 15. Protocolo de incorporación de CMC propuesto en la investigación
De la misma forma se sugiere una concentración adecuada de CMC en la
formulación detergente si se requiere un valor específico de viscosidad, la
tabla 60 muestra lo mencionado
Tabla 60. Cantidad de viscosante en la formulación para un valor de viscosidad requerido
Viscosidad
(30 rpm, cPs)Concentración de
viscosante (%)
4500-5000 1
3000-4000 0,8
2000-3000 0,5
El detergente obtenido fue exitoso, pues es un producto de buenas
propiedades, similares a las de un producto ya registrado, sin embargo
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como recomendación puede replantearse la formulación para el uso
específico que se quiera, además para la presentación como producto.
Puede predecirse que los detergentes son fluidos pseudo-plástico debido al
comportamiento que presentan ante la velocidad de cizallamiento a la que
se someten.
La viscosidad se ve influenciada por el tamaño de partícula del viscosante,
pues a menor tamaño, mayor área superficial y mayor estabilidad debido a
que hay mayor fuerza de interacción entre partículas.
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8. Recomendaciones
Se recomienda analizar que tan eficiente es la incorporación de CMC en un
detergente que no contenga hidróxido de sodio en su formulación.
Así mismo, Analizar la eficiencia de incorporación de CMC variando la
temperatura de incorporación al menos 30ºC.
Puede recomendarse también realizar un análisis de costos con el fin de
determinar el proceso industrial más económico entre las dos alternativas aquí
planteadas.
Finalmente, se recomienda realizar un análisis que permita inferir la influencia
del tiempo con velocidad de agitación de incorporación en la eficiencia de este.
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Bibliografía
Materiales y métodos. Disponible en:
http://www.tdx.cesca.es/TESIS_URV/AVAILABLE/TDX-0812102-
093854//Materiales_m%E9todos-6.pdf Consulta: [21 de Octubre de 2007]
Las diversas aplicaciones de la carboximetilcelulosa (CMC).Disponible en:
http://carboximetil celulosa\QUIMNET CMC.htm. Consulta: [21 de Octubre de 2007]
Showell S. Michael (2006) Handbook of detergents. Ed. Taylor & Francis Group,
Part 1 Chapter II.
Lima J. Camilo. Evaluación comparativa de propiedades físico-químicas entre un
detergente líquido empleando alfa-m etil éster sulfonato (MES) ó alquilbenceno
lineal sulfonato (LAS) como principio activo. Universidad de los Andes.2007.
Mata, Jitendra. Varade, Dharmesh. Bahadur, Prashant. Aggregation behavior of
quaternary salt based cationic surfactants. Department of Chemistry, South Gujarat
University, Department of Chemical Engineering, Sarvajanik College of Engineering
& Technology, Surat1, India.2004.
Beeman. R., Square. Kennett. Pigmented paper coating and adhesive composition
containing a polyvinyl alcohol, binder and a modifier therefore. Publicado en:
Septiembre 11 de 1967.
Formulaciones mar químico. Disponible en:
http://www.marquimicosltda.com/hotel.htm Consulta: [8 de Febrero 2008]
Briggs J., Steffe J. Mixer viscometer constant (k') for the brookfield small sample
adapter and flag impeller. Department of Agricultural Engineering, Michigan State
University, vol.26 pp. 671-677. Michigan (2006)
116
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
Trick WE y col. Patient colonization and environmental contamination by
vancomycin-resistant enterococci in a rehabilitation facility. Arch Phys Med Rehabil.
Jul; 83(7):899-902.2002.
Maimone Stella. MEDIO AMBIENTE Y LIMPIEZA DE SUPERFICIES. Disponible
en: http://www.codeinep.org/Curriculum/maimonestella1.htm Consulta: [14 abril
2008]
William T., Lambe. R Whitman V. Mecánica de suelos. Editora Limusa. México
(1997).
Othmer K. Enciclopedia de tecnología química. Ed. Halsted Press, New York (1997)
SPITZ, LUIS. Technology of Soaps and Detergents. Ed. Taylor (1997).
BECHER P., “Emulsiones: Teoría y Práctica”, Editorial Blume, Madrid (1972).
SCHWARTZ A.M., PERRY J.W., y BERCH J., Surface Active Agents and
Detergents - Volume II”, R. Krieger Pub. Co., New York (1977). Reimpresión de la
Edición de Interscience del año 1958 con algunos complementos.
DAVIDSOHN A., y MILDWIDSKY B., Synthetic Detergents, Halsted Press, New
York (1978).
McCUTCHEON. Detergents and Emulsifiers, McCutcheon Division Pub. Co., 175
Rock Road, Glen Rock NJ 07452 (Anual, 3 volumenes).
SCHICK M.J., Editor, Noionic Surfactants, Marcel Dekker, New York (1967).
JUNGERMANN E., Editor, Cationic Surfactants, Dekker, New York (1970).
LINFIELD W.m., Editor, Anionic Surfactants, 2 volumenes, Marcel Dekker, New
York (1976)
117
IQ-2008-1-20
IQ-2008-1-45
Proceeding - World Conference on Soaps and Detergents, Journal of the American
Oil Chemists Society, volumen 55 N°1 (1978).
WERN D., Editor, Baileys Industrial Oil and Fat Products, 4° Edition, J. Wiley and,
New York (1979)
2005 Procter&Gamble, Detergente - Presentación de los productos.
Manual viscosímetro de Brookfield. Disponible en:
http://www.brookfieldengineering.com/support/documentation/operator-manuals.asp
Consulta: [9 de Mayo 2008]
Economía doméstica. Disponible en:
http://revista.consumer.es/web/es/20071101/actualidad/analisis2/72018_2.php
Consulta: [21 de Abril 2008]
Evaluating Foam. Disponible en:
http://www.zenitech.com/documents/EVALUATING%20FOAM.pdf Consulta: [14 de
Mayo 2008]
118
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