PROPUESTA DE MEJORA PARA EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE EMPAQUES DE CAUCHO NATURAL EN INDUSTRIAS JOLFERB DIEGO FERNANDO PENAGOS RUBIANO


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1 PROPUESTA DE MEJORA PARA EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE EMPAQUES DE CAUCHO NATURAL EN INDUSTRIAS JOLFERB DIEGO FERNANDO PENAGOS RUBIANO FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ, D. C. 2017

2 PROPUESTA DE MEJORA PARA EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE EMPAQUES DE CAUCHO NATURAL EN INDUSTRIAS JOLFERB DIEGO FERNANDO PENAGOS RUBIANO Proyecto integral de grado para optar al título de INGENIERO QUÍMICO FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ, D. C. 2017

3 Nota de aceptación Jurado Orientador Jurado 1 Jurado 2 Bogotá, D.C. Junio de

4 DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD Presidente de la Universidad y Rector del Claustro Dr. Jaime Posada Díaz Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos. Dr. Luis Jaime Posada García-Peña Vicerrectora Académica y de Posgrados. Dra. Ana Josefa Herrera Vargas Decano de Facultad de Ingeniería Ing. Julio Cesar Cifuentes Arismendi Secretario General Dr. Juan Carlos Posada García-Peña Director Programa de Ingeniera Química Ing. Leonardo de Jesús Herrera Gutiérrez 4

5 Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo docente no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden únicamente a los autores. 5

6 AGRADECIMIENTOS En la culminación de este trabajo de grado manifiesto mis sinceros agradecimientos a todas las personas que de una u otra manera colaboraron en este proceso. A mis padres por haberme forjado como la persona que soy en la actualidad; muchos de los logros se los debo a ustedes, en los que incluyo este. Me formaron con reglas y ciertas libertades, pero al final de cuentas, me motivaron con constancia para alcanzar mis anhelos. A mi hermano por estar presente en todos los momentos importantes de mi vida y en este no siendo la excepción brindando su apoyo y estando al pendiente de mi desarrollo como persona y profesional. A la universidad por la ayuda de mis maestros, mis compañeros, y en general por todo lo anterior en conjunto con todos los grandes conocimientos que me ha otorgado. Finalmente a la compañía Industrias Jolferb que amablemente me permitió desarrollar el trabajo de grado en sus instalaciones brindando todo el apoyo y atención del caso. 6

7 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN 19 OBJETIVOS GENERALIDADES CLASES DE CAUCHO Caucho Natural Caucho Sintético VULCANIZACIÓN DE ELASTÓMEROS Azufre PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CAUCHO LÁTEX PREPARACIÓN PARA UNA MEZCLA DE CAUCHO Base elastomérica Caucho nitrilo Agentes de vulcanización Acelerantes Activadores Antioxidantes Plastificantes Agentes reforzantes Negro de Humo MARCO LEGAL DIAGNOSTICO DE LA EMPRESA DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA DESCRIPCIÓN DEL PROCESO IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMÁTICA Análisis Pareto Identificación de causa raíz Método de las 5 M INDICADOR OEE (OVERALL EQUIPMENT EFFECTIVENESS O EFICACIA GLOBAL DE EQUIPOS PRODUCTIVOS) ENCUESTA DE SATISFACCIÓN DEL CLIENTE DESARROLLO EXPERIMENTAL DISEÑO DE EXPERIMENTOS Planteamiento de hipótesis Variables del diseño experimental Diseño de experimentos factorial 50 7

8 3.1.4 Instrumentación y equipos METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Datos experimentales Resultado del diseño factorial MEZCLA RESULTANTE PARA LA FABRICACION DE EMPAQUES DE CAUCHO CARACTERIZACIÓN Ensayo de tensión y elongación Ensayo reometria de torque Ensayo de flexión Resumen de las pruebas físicas realizadas al caucho natural ANÁLISIS DE RESULTADOS ENSAYOS EXPERIMENTALE Análisis de tensión y elongación Análisis de reometria Análisis de flexión ANÁLISIS EN LA ADICIÓN DE INSUMOS RENTABILIDAD DEL PROYECTO COSTOS Y GASTOS CON Y SIN LA PROPUESTA Devoluciones e inconformidades Costo unitario Nuevos mercados RENTABILIDAD CONCLUSIONES RECOMENDACIONES 79 BIBLIOGRAFÍA 80 ANEXOS 82 8

9 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Marco Jurídico Nacional 30 Tabla 2. Productos fabricados en industrias JOLFERB 32 Tabla 3. Devolución mensual JOLFERB 36 Tabla 4. Razones de devolución mensual JOLFERB 37 Tabla 5. Formulación caucho natural industrias JOLFERB 41 Tabla 6. Entradas y salidas de masa en la fabricación de empaques 42 Tabla 7. Indicador OEE industrias JOLFERB 45 Tabla 8. Aspectos importantes de la encuesta de satisfacción del cliente 46 Tabla 9. Factores y niveles del diseño de experimentos 50 Tabla 10. Consideraciones para la nueva formulación. 51 Tabla 11. Diseño factorial para evaluar dureza 53 Tabla 12. Análisis de varianza para dureza (ANOVA) 53 Tabla 13. Formulación con caucho nitrilo 55 Tabla 14. Ensayo tensión elongación caracterización inicial del caucho. 56 Tabla 15. Ensayo Flexión producto actual. 58 Tabla 16. Resumen de resultados caracterización inicial de caucho natural industrias JOLFERB. 59 Tabla 17. Valores de tensión para caucho natural industrias JOLFERB 60 Tabla 18. Valores de tensión para la alternativa 61 Tabla 19. Resultados de la reometria 63 Tabla 20. Ensayo de flexión formulación con caucho nitrilo 63 Tabla 21. Resultados ensayo de flexión 64 Tabla 22. Comparación de plastificantes 64 Tabla 23. Bases elastoméricas de las formulaciones 65 Tabla 24. Base elastomérica con y sin retal 66 Tabla 25. Acelerantes de las formulaciones 66 Tabla 26. Reforzantes de las formulaciones 67 Tabla 27. Análisis indicador OEE 68 Tabla 28. Promedio de costos y gastos mensuales industrias JOLFERB 71 Tabla 29. Costo unitario de producción actual y alterna 73 Tabla 30. Costo de venta productos con formulación actual y alterna 74 Tabla 31. Promedio de ventas 76 Tabla 32. Rentabilidad mensual con y sin la alternativa 77 9

10 LISTA DE GRAFICAS pág. Gráfica 1. Devoluciones clientes industrias JOLFERB 38 Gráfica 2. Aspectos más relevantes de la encuesta 47 Gráfica 3. Principales efectos en la dureza 54 Gráfica 4. Resistencia a la tensión en los procesos tradicionales y alternativos 61 Gráfica 5. Devoluciones mensuales con el proceso actual y alterno 72 10

11 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Tipos de caucho sintéticos y sus características. 21 Figura 2. Reacción de entrecruzamiento en la vulcanización 22 Figura 3. Diagrama deformación esfuerzo del caucho natural vulcanizado 23 Figura 4. Estructura química del caucho nitrilo 26 Figura 5. Efecto de los activadores en el tiempo de vulcanización 28 Figura 6. Descripción del proceso actual industrias JOLFERB 33 Figura 7. Descripción del proceso 52 11

12 LISTA DE IMÁGENES pág. Imagen 1. Cadena de polímeros caucho natural 24 Imagen 2. Balanza 33 Error! Marcador no definido. Imagen 3. Bascula 33 Imagen 4. Molino de dos rodillos 33 Imagen 5. Prensa hidráulica 34 Imagen 6. Prensa hidráulica (Botón) 34 Imagen 7. Diagrama de Ishikawa para el producto no conforme por defectos en dureza. 39 Imagen 8. Cálculo del indicador OEE 44 Imagen 9. Reograma formulación actual. 57 Imagen 10. Reogramas de las dos formulaciones 62 12

13 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Resultados caracterizacion inicial del caucho 83 Anexo B. Resultados del caucho nitrilo 86 Anexo C. Costos ensayos 88 Anexo D. Ensayos de reometria de torque 89 Anexo E. Encuesta de satisfacción del cliente 95 13

14 LISTA DE ABREVIATURAS Y UNIDADES DOP MBT NBR NR OEE PHR SBR Di-Octil ftalato (Éster) 2-mercaptobenzotiazol o Thiotax Nitrile Butadiene Rubber o caucho nitrilo Natural rubber o caucho natural Overall Equipment Effectiveness o Eficacia Global de Equipos Productivos Parts per hundred of rubber o partes por cien de caucho Styrene-Butadiene Rubber o Caucho estireno butadieno 14

15 GLOSARIO ACELERADORES DE LA VULCANIZACIÓN: son sustancias que añadidas en cantidades mínimas en las mezclas de caucho aumentan la rapidez de vulcanización o cura y a su vez mejoran la calidad del producto y disminuyen la cantidad de azufre empleada. ACTIVADORES: son los encargados de aumentar la velocidad de vulcanización reaccionado con los acelerantes y el azufre para iniciar la vulcanización. Pueden ser sustancias inorgánicas, orgánicas y/o metálicas. Los más comunes son los que usan una combinación de óxido de zinc y ácido esteárico. AGENTES VULCANIZADORES: un agente vulcanizador es aquel que efectúa la vulcanización después de ser expuesto a temperatura conveniente. Este agente vulcanizador debe ser soluble en el caucho o estar dividido en partículas finas para que pueda dispersarse con facilidad y uniformidad en el caucho. CAUCHO NATURAL: en estado natural, el caucho aparece en forma de látex de plantas que producen caucho como el árbol de la especie Hevea Brasiliensis, originario del Amazonas. El caucho natural obtenido de otras plantas suele estar mezclado por varias resinas, que deben extraerse para que el caucho sea apto para la industria. Entre estos cauchos se encuentran la gutapercha y la balata, que se extraen de algunos árboles tropicales. CAUCHO SINTÉTICO: puede llamarse caucho sintético a las sustancias elaboradas artificialmente que tienen propiedades similares al caucho natural. Se logra su obtención por reacciones químicas, como condensación o polimerización, por medio de determinados hidrocarburos insaturados. DUREZA: propiedad mecánica de resistencia que presenta un material al ser aplicada una fuerza sobre él. Por lo general se mide dicha propiedad por medio un punzón de dimensiones específicas y bajo una carga dada que produce un rebote. La dureza de un caucho es una indicación de su rigidez frente a esfuerzos moderados. ELONGACIÓN: propiedad mecánica que mide el incremento de longitud respecto a la longitud inicial. Para materiales como el caucho si el alargamiento no supera el límite elástico vuelve a su longitud inicial cuando se termina el esfuerzo de lo contrario el material sufre rotura. VULCANIZACIÓN: es una reacción química irreversible en la cual se incorporan átomos de azufre a la molécula del polímero a temperatura y tiempos específicos. Dicha reacción genera un cambio en las propiedades físicas, mecánicas del 15

16 caucho, dando mayor resistencia a la fricción y dureza al caucho. La temperatura y tiempo del proceso de vulcanización dependerán de varios factores como la formulación y la aplicación del producto final. 16

17 RESUMEN Este trabajo de grado plantea una propuesta de mejora para los empaques de caucho fabricados en industrias JOLFERB, realizando una caracterización de los empaques de caucho natural producidos por parte de la empresa, utilizando la misma como base para elaborar una nueva formulación junto con un protocolo que ayude a disminuir las inconformidades presentadas por los clientes de industrias JOLFERB. El desarrollo de la caracterización se realizó tanto a la fórmula con base a caucho natural como a la fórmula de la alternativa propuesta, partiendo de factores que influyen en la calidad de las láminas que se fabrican en la empresa. Para posteriormente analizar la influencia de dos factores que influyen en la dureza del material, que es la principal inconformidad del cliente, se realizó un diseño experimental con los factores tiempos de vulcanizado y cantidad de plastificante, teniendo para los mismos dos niveles de 8 y 12 minutos y 1500 y 2000 gramos respectivamente. De lo cual se identificó que la concentración de plastificante más acorde para la nueva formulación es de 2000 gr utilizando un tiempo de vulcanizado de 8 minutos, puesto que en estas condiciones el producto final presenta las durezas que se requieren. Se fabricó una lámina utilizando los datos de la parte experimental, comparándola con las láminas fabricadas actualmente en la empresa, se encontró que se mejoran las propiedades de flexión, tensión y dureza, obteniendo de esta manera un producto de mejor calidad. Finalmente se comparó la rentabilidad para el proceso tradicional y para la alternativa propuesta, para así ver la viabilidad de la propuesta y la mejora de dicha rentabilidad con la nueva formulación. 17

18 INTRODUCCIÓN JOLFERB es una empresa manufacturera en fabricación de empaques de caucho vulcanizados, y servicio de inyección de plásticos, especializada en empaquetadura para griferías en general, y empaquetaduras para acueducto y alcantarillado, entre otros. La empresa tiene varios años de existencia y se consolido en términos de procesos y mercado, manteniendo por muchos años los niveles de ventas y crecimiento sostenido. En la actualidad la empresa está en un retroceso por malos manejos y descuido de la misma, aunque continua con la fabricación de empaques de caucho vulcanizado y servicio de inyección de plásticos, en el proceso de fabricación de empaques para grifería en general se está generando un producto no conforme de una calidad baja en aspectos como la dureza y pureza del producto final, debido a la falta de estudios profesionales que aporten al desarrollo de un proceso técnico que plantee una disminución en las fallas y apunte a una calidad de producto más alta. A pesar de tener un producto final que aun comercializa no se ha logrado un aprovechamiento adecuado de las materias primas, ni una estandarización del proceso, se ha venido haciendo de manera artesanal. Se hace necesaria la implementación de mecanismos técnicos que logren una mejora en las condiciones de operación en la fabricación de empaques de caucho natural. La proyección de la empresa a un mercado más grande y rentable dependerá de la calidad técnica del proceso de fabricación, teniendo mejores condiciones en el mismo se contribuiría a un mejor producto. A continuación se presenta el desarrollo del trabajo de grado en 7 capítulos los cuales comprenden diferentes fases en el desarrollo del proyecto, en donde se resalta la propuesta de mejora recomendada mediante ensayos físicos realizados a la lámina elaborada a partir de caucho nitrilo con su correspondiente análisis y viabilidad económica para la empresa. 18

19 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Desarrollar una propuesta de mejora para el proceso de fabricación de empaques de caucho natural en Industrias JOLFERB. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diagnosticar el proceso actual de fabricación de empaques de caucho natural. Definir una alternativa de mejora. Establecer la rentabilidad del proceso de fabricación de empaques con y sin la propuesta de mejora. 19

20 1. GENERALIDADES El presente capítulo ilustra las clases de caucho presentes en el mercado, la importancia de la vulcanización para los procesos de fabricación de caucho y en una segunda parte se describe el látex como parte importante en el contexto de los cauchos sus propiedades físicas y químicas y como es el tratamiento del látex. En la parte final del capítulo se definen los términos que influyen en la formulación y elaboración del caucho los cuales incluyen compuestos orgánicos e inorgánicos que se mezclan para otorgar características y propiedades específicas de acuerdo al producto a fabricar. 1.1 CLASES DE CAUCHO El caucho puede ser obtenido de dos maneras, natural o sintéticamente. Naturalmente el caucho se encuentra en diferentes especies de árboles y plantas, mientras que de forma sintética se produce como mezcla y subproducto por medio de procesos químicos Caucho Natural. Es un polímero elástico, cuya estructura está compuesta por átomos de carbono e hidrógeno, elementos básicos de la química orgánica. Surge de varias plantas como una sustancia lechosa (látex) por medio de un proceso conocido como sangrado, que básicamente consiste en hacer un corte a través de la corteza del árbol para que de este fluya el látex. Una de las formas más simples en las que se presenta el caucho es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H Caucho Sintético. El caucho sintético se forma por reacciones químicas como condensación o polimerización de hidrocarburos insaturados. Dichos hidrocarburos tienen compuestos básicos o monómeros los cuales forman moléculas más grandes llamadas polímeros. Los cauchos sintéticos se clasifican de acuerdo a su especie química o a su aplicación final. Respecto a su aplicación final pueden ser resilientes, piroretardadores, resistentes a los hidrocarburos o a la corrosión. Y por su afinidad química se detalla a continuación en la Figura 1 que resume además las características más importantes de estos materiales. 1 1 CRIOLLO, Andrés X. Caracterización De Caucho Reciclado Proveniente De Scrap y De Neumáticos Fuera De Uso Para Su Potencial Aplicación Como Materia Prima. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana, p. 9 20

21 Figura 1. Tipos de caucho sintéticos y sus características. Fuente: Caracterización De Caucho Reciclado Proveniente De Scrap y De Neumáticos Fuera De Uso Para Su Potencial Aplicación Como Materia Prima. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana, p VULCANIZACIÓN DE ELASTÓMEROS El caucho natural o sintético sin ningún tipo de tratamiento posee propiedades mecánicas muy bajas y carentes de aplicación en la industria. Para mejorar y tener una gran aplicabilidad existe el proceso de curado o vulcanizado, que llega a reticular las moléculas lineales presentes en el caucho crudo, formando una estructura más amplia y con mejores propiedades mecánicas. Uno de los metodos mas comunes para vulcanizar mezclas de caucho es el que emplea azufre como agente vulcanizante. Este sistema de vulcanización necesita ademas del azufre, una variedad de aditivos que comprenden el sistema de vulcanización. Estos aditivos pueden ser aceleradores, activadores y/o 21

22 antioxadantes. La reaccion que ocurre del polimero con el azufre durante la vulcanizacion se resume en la figura 2. 2 Figura 2. Reacción de entrecruzamiento en la vulcanización Fuente: Evaluación técnica de las propiedades físico-mecánicas de un adhesivo para la industria del reencauche. Tesis de grado Universidad Rafael Landívar En el vulcanizado sucede una reacción química entre el azufre y los dobles enlaces de carbono del elastómero, formando moléculas voluminosas que reducen el movimiento molecular. En el mezclado y vulcanizado se incorporan diferentes ingredientes además de los que componen el sistema de vulcanización, que mejoran las propiedades del caucho, como son los reforzantes, cargas y plastificantes. Estos son mezclados en proporciones adecuadas, en un molde deseado y con presencia de presión temperatura se obtiene el vulcanizado del material Azufre. Este elemento no metalico suele ser dispersado en materiales polimericos como el caucho, para llevar a cabo el proceso de vulcanizacion. El azufre tiene una valencia electrónica de 6, por lo que le es posible combinarse con los dobles enlaces de las moleculas de caucho para asi modificar las propiedades mecanicas de la mezcla de caucho proporcionando inpermeabilidad y resistencia química, ademas de conservar elasticidad para el producto final. En la figura 3 se observa un diagrama deformación esfuerzo, realizado al caucho en sus dos etapas, caucho natural y caucho natural vulcanizado. 4 2 KLOTH, Juan Pablo, EVALUACIÓN TÉCNICA DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-MECÁNICAS DE UN ADHESIVO PARA LA INDUSTRIA DEL REENCAUCHE. TESIS DE GRADO UNIVERSIDAD RAFAEL LANDÍVAR CRIOLLO, Op., Cit., p Ibid., p

23 Figura 3. Diagrama deformación esfuerzo del caucho natural vulcanizado Fuente: Caracterización De Caucho Reciclado Proveniente De Scrap y De Neumáticos Fuera De Uso Para Su Potencial Aplicación Como Materia Prima. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana, p.13 Para las mezclas de caucho es recomendada una cantidad de azufre del 0.5 al 3 % del peso del caucho para artículos blandos y del 15 al 30 % para piezas más duras. 1.3 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CAUCHO El caucho en su estado natural es un hidrocarburo blanco. La imagen 1 muestra la cadena polimérica del caucho natural en su forma más sencilla, ya antes mencionada (isopreno o 2-metilbutadieno). Su comportamiento varia con la temperatura, estando en estado líquido a 20 ºC y sólido en alrededor de -195 ºC. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se torna blando, flexible y translúcido. 5 5 LUNA, Patricio M. Estudio De La Aplicación Potencial De Compuestos Obtenidos Con Residuos De Caucho Reciclado Provenientes De Continental Tire Andina Como Materiales Estructurales. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana, p. 5 23

24 Imagen 1. Cadena de polímeros caucho natural Fuente: Estudio De La Aplicación Potencial De Compuestos Obtenidos Con Residuos De Caucho Reciclado Provenientes De Continental Tire Andina Como Materiales Estructurales. Cuenca: Universidad Politécnica Salesiana, p. 5 Debido a su naturaleza plástica el caucho adquiere una gran deformación permanente, aunque la plasticidad puede variar por acción de productos químicos. El caucho experimenta un fenómeno denominado deformación residual o estiramiento permanente, que se da cuando el caucho bruto es estirado y deformado durante un tiempo prolongado y este no tiene la capacidad de regresar a su estado inicial. Todas las propiedades del caucho le dan variedad de aplicaciones en el sector industrial, bien sea para empaques en maquinaria y griferías, en rodillos de imprenta, productos resistentes al envejecimiento, además de neumáticos; el caucho repele el agua, no es hidrosoluble y tiene una biodegradabilidad muy lenta cercana a los 500 años, lo que hace un problema del mismo para el ambiente LÁTEX El látex es una suspensión coloidal acuosa, generalmente de color blanco, que se obtiene al hacer en la corteza de árboles laticíferos, una incisión en espiral. Esta sustancia está compuesta por gran variedad de elementos como gomas, aceites, azucares, sales minerales, proteínas, alcaloides, terpenos, ceras, hidrocarburos, almidón, resinas, taninos y bálsamos. La cantidad de cada elemento o compuesto varía de acuerdo a aspectos como la especie vegetal, la parte de la planta en la que se encuentra, la época del año y el tipo de suelo sobre el que crece la planta. El látex es recolectado en vasos colgados al árbol, bajo la incisión. De los vasos el látex es transferido a cubos para poder ser transportado a los sitios donde posteriormente se hará su respectivo procesamiento. Por lo general, se añade amoníaco como conservante. El amoníaco tiene como finalidad conseguir un producto en dos fases de % de parte sólida. Este producto se concentra hasta obtener un 60% de parte sólida, con un concentrado de látex amoniacal con un 1,6% de amoníaco en peso. Para evitar la coagulación y la contaminación del concentrado de látex, se añade un conservante secundario, como el 6 LUNA, Op., Cit p. 5 24

25 pentaclorofenato sódico, el disulfuro de tetrametiltiuram, el dimetilditiocarbamato sódico o el óxido de zinc Características del látex. El látex posee un ph entre 10 y 11 de acidez lo que quiere decir que es un caucho ácido y es muy probable que reaccione con otros materiales. 8 Es un material que se descompone prematuramente, no dura más allá de tres meses, tiempo en el cual se producirá una capa más pastosa en él haciendo que este no se pueda utilizar y no podrá mezclarse con el material líquido restante. Las temperaturas extremas producen en el látex que se descomponga y se coagule. 9 El látex en su estado líquido se puede aplicar en capas, que después de varias de las mismas y dejando secar entre cada capa, permite construir moldes resistentes de 1/16 a 1/8 de pulgada de espesor, utilizados para vaciados de yeso, concretos, ceras y resinas. 10 En cuanto a su elongación, es directamente dependiente de las capas aplicadas. Según la cantidad de capas pierde elongación pero aumenta su resistencia. Teniendo para una capa un rango de estiramiento de 200 % y para 90 un rango de 1%. En cuanto a la resistencia a la rotura sucede lo contrario que la elongación, aumenta a medida que haya más capas. Para una capa de espesor, la resistencia a la fuerza es de 10 kilos alcanzando su punto plástico y a 12 kilos su punto de ruptura. Cuando son dos capas, la fuerza en kilos soportada por el látex es de 30 kilos hasta su punto plástico y de 40,5 kilos en su punto de ruptura. La ruptura del látex es dependiente a la elongación del producto. Por lo cual a mayor elongación, mayor es la probabilidad de rotura en el material PREPARACIÓN PARA UNA MEZCLA DE CAUCHO Para la preparación de mezclas de caucho se parte de formulaciones que incluyen una gran variedad de componentes orgánicos e inorgánicos que se mezclan entre sí para formar un producto con propiedades específicas. La selección de los componentes que se van a incorporar en la mezcla depende de la aplicación del producto final. Una formulación de una mezcla de caucho está constituida normalmente por una base elastomérica, agentes reforzantes o cargas, 7 ELLES, Alexander E. y GARCÍA, Cesar A. Mezcla Sinérgica Entre Polihidroxibutirato (PHB) y Caucho Natural (Látex) Para Obtener Un Copolimero. Cartagena de Indias: Universidad de Cartagena, p Ibid. 9 Látex. [Consultado el Agosto2016]. Disponible en: 10 lbid. 11 lbid. 25

26 antioxidantes, acelerantes, activadores, agentes de vulcanización y plastificantes. 12 Luego de tener analizada cada materia prima que se va a incorporar a la formulación, se procede a realizar el pesaje de la mezcla. Es importante aclarar que siempre se formula en PHR, teniendo en cuenta la conversión de dichos PHR a Kg o g según el tamaño de la mezcla a fabricar. Se debe tener en cuenta también el orden de incorporación de cada uno de los componentes de la formulación en la mezcla Base elastomérica. Son materiales que poseen una propiedad viscoelástica, es decir, recuperan su forma original casi por completo después de liberar una fuerza sobre ellos. La base elastomérica puede estar compuesta por caucho natural, sintético o mezcla de caucho natural y sintético (siempre y cuando estos sean afines), mezclas de cauchos sintéticos, caucho reciclado. La selección del caucho depende de su costo, facilidad de mezclado y aplicabilidad de la pieza final. Por otro lado, existen diferentes grados de cauchos y para saber cuál es el más apropiado a usar en la formulación, se debe tener en cuenta las condiciones a las cuales estará expuesta la pieza terminada, como por ejemplo si va a estar expuesto a solventes químicos o expuesto a temperaturas elevadas Caucho nitrilo. Conocido por su abreviatura NBR, es un copolímero de butadieno y acrilonitrilo, como se observa en la figura Figura 4. Estructura química del caucho nitrilo Fuente: Desarrollo De Una Formulación De Caucho Nitrilo Con Aplicación Final En Suelas De Calzado Industrial. Sartenejas: Universidad Simón Bolívar, p. 17 Esta base elastomérica puede usarse en formulaciones que necesiten resistir fuerzas físicas y abrasión, combinada con cargas como el negro de humo y arcillas reforzantes. Además el emplear el NBR como base otorga al producto una 12 GONZÁLEZ, Concepción. Componentes involucrados en la formulación de caucho. México. [Consultado el Agosto2016]. Disponible en: Componentes-involucrados-en-la-formulacion-de-caucho.html 13 SALDARRIAGA, David. Formulaciones de caucho. Colombia. [Consultado en diciembre2016]. Disponible en: 14 GONZÁLEZ, Op., Cit. 15 MUJICA, Ibrazhir A. Desarrollo De Una Formulación De Caucho Nitrilo Con Aplicación Final En Suelas De Calzado Industrial. Sartenejas: Universidad Simón Bolívar, p

27 alta resistencia a los solventes y aceites, fácil extrusión y buena resistencia al agua. Su temperatura de trabajo está entre los -30 hasta los 125 C Agentes de vulcanización. El agente vulcanizador debe ser soluble en el caucho base o en su defecto ser lo suficientemente fino para dispersarse uniformemente en el caucho, además no debe ser tóxico ni teñir. Generalmente para las mezclas de caucho se usa el azufre como agente de vulcanización. Sea el azufre u otro agente vulcanizador debe lograr que se efectúe la vulcanización a un tiempo, presión y temperatura determinada. 17 La vulcanización produce un aumento en la elasticidad, resistencia y general mejora las propiedades mecánicas del material. Su concentración debe estar en un intervalo entre 1 a 3 phr Acelerantes. Los acelerantes son sustancias que se agregan a la mezcla de caucho con la finalidad de aumentar la rapidez de vulcanización. Además de reducir el tiempo de vulcanización, mejora las propiedades físicas y la estabilidad al envejecimiento del producto final. Los hay de varios tipos dependiendo del sistema de vulcanización y aplicación de la pieza, están los acelerantes ultra rápidos, rápidos, rapidez media y de acción retardada. La cantidad recomendada del componente es mínima, de 0,5 a 1,0 phr Activadores. Junto con los aceleradores, que son con los que primero reaccionan, favorecen la velocidad de vulcanización, activando al mismo tiempo al azufre para iniciar la vulcanización. Los activadores más usados en las formulaciones de mezclas de caucho, son el óxido de zinc en concentraciones de 2-4 phr combinado con el ácido esteárico en concentraciones de 1-3 phr. El ácido esteárico además de ser un activador, reduce la viscosidad durante el mezclado funcionando como un lubricante. En la figura 5 se observa, en las distintas reometrias, el efecto de los activadores en el tiempo de vulcanización, manifestado en los aumentos de torque lbid. 17 PÉREZ ROSAS, Humberto. Recuperación y uso del solvente y producto, en la obtención de la 4, 4 -ditiodimorfolina. México: Instituto Politécnico Nacional (IPN) GONZÁLEZ, Op., Cit. 19 lbid. 27

28 Figura 5. Efecto de los activadores en el tiempo de vulcanización Fuente: Componentes involucrados en la formulación de caucho. Disponible en: Componentes-involucrados-en-la-formulacion-de-caucho.html Antioxidantes. Los antioxidantes son sustancias que retardan la posible degradación por oxidación de la pieza de caucho vulcanizado. Ciertos factores como el calor, la humedad y la luz ultravioleta aceleran la oxidación del material. La cantidad de antioxidante a usar en la formulación depende del tipo caucho a proteger y de la vida útil que se espera. Deben ser agregados por lo general entre 0,5 a 4 phr según se requiera Plastificantes. Se usan para ablandar y homogenizar la mezcla de caucho. Esto lleva a cabo debido a que el plastificante reduce la viscosidad de la mezcla haciendo más fácil la incorporación de las demás materias primas. Varían de acuerdo a la afinidad que tenga principalmente con la base elastomérica. Para los cauchos nitrilo por ejemplo, es necesario utilizar plastificantes de tipo éster derivados de ciertos ácidos orgánicos y alcoholes, para obtener una viscosidad de procesado que permita realizar un mezclado homogéneo. Su rango de aplicación es de 5-30 phr Agentes reforzantes. Cumplen la función de modificar las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas del producto, además de reducir costos por aumentar masa de la mezcla y ser más económicos que las demás materias 20 JORGE MANDELBAUM. Envejecimiento de artículos de caucho. En: Nivel de utilización de los antidegradantes 21 GONZÁLEZ, Op., Cit. 28

29 primas. Estos pueden ser por lo general de tipo orgánico e inorgánico, cargas negras o blancas y rebaba de procesos anteriores Negro de Humo. Quizá uno de los reforzantes más empleados en las mezclas de cacho es el negro de humo, debido a que este acrecienta la resistencia a la abrasión y a la tensión, además de funcionar como pigmento y dar el color negro característico de muchos productos. Su inclusión puede hacerse en intervalos comprendidos entre 5 y 50 phr. 23 La fabricación de una mezcla de caucho es un proceso en el que se debe analizar además de la aplicación del producto final, si este estará expuesto a algún fluido o ambiente en particular (hidrocarburos, radiación solar directa), las propiedades mecánicas finales deseadas (módulos específicos de compresión o tracción), para así hacer una correcta selección de las materias primas que se van a incluir en la mezcla, teniendo en el mercado gran variedad de ayudas al proceso y aditivos que mejoran determinadas características del producto. 1.8 MARCO LEGAL A continuación se presentará las normas correspondientes sobre cauchos a nivel Colombia ilustradas en la tabla lbid 23 BELTRÁN, M. y MARCILLA, A. Tema 2: Tipos De Plásticos, Aditivacion y Mezclado. En: Tecnología De Polímeros. p FINAGRO. Normatividad Vigente. p. 8 29

30 Tabla 1. Marco Jurídico Nacional NORMA Resolución ICA No de 2006 LEY 686 DE 2001 (agosto 15) DECRETO NUMERO 2025 DE 1996 (noviembre 6) DECRETO NUMERO 3244 DE 2002 (diciembre 27) REGULACIÓN Por la cual se adoptan normas de carácter fitosanitario y de recursos biológicos para la producción, distribución y comercialización de material de propagación vegetativa de caucho natural (Hevea sp) Por la cual se crea el Fondo de Fomento Cauchero, se establecen normas para su recaudo y administración y se crean otras disposiciones. Por el cual se reglamenta el Control Interno. Por el cual se reglamenta la Ley 686 de Procedimiento de recaudo FONDO NACIONAL DE FOMENTO CAUCHERO PROCESO DE RECAUDO DE LA CUOTA DE FOMENTO CAUCHERO LEY 686 DE DECRETO REGLAMENTARIO 3244 DE 2002 Formato de recaudo Formato de recaudo Ley 686 de Fondo Nacional de Fomento cauchero Fuente: FINAGRO. Normatividad Vigente La normativa de la tabla 1, regula y modifica las actividades en materia agropecuaria relativas al caucho. Las generalidades incluyen aspectos importantes para enteder el desarrollo del presente proyecto desde los conceptos basicos relacionados al caucho, vulcanizacion de elastomeros, preparacion de una mezcla de caucho hasta el marco legal. Lo anterior, que en conjunto, permite entender el proceso que se lleva actualemente en la compañía industrias JOLFERB para hacer un correcto diagnostico. 30

31 2. DIAGNOSTICO DE LA EMPRESA Con la finalidad de contextualizar el proyecto de grado, en este capítulo se realiza una descripción de la empresa junto con los procesos que se trabajan actualmente en la misma para la fabricación de empaques de caucho, en donde inicialmente se describen una seria de pruebas físicas para el caucho con el fin de determinar los parámetros a evaluar en la investigación, se describen los equipos utilizados en la fabricación de los empaques y finalmente se habla sobre el planteamiento para el diseño de experimentos y la alternativa propuesta. 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA JOLFERB es una empresa manufacturera en fabricación de empaques de caucho vulcanizados, algunos mostrados en la tabla 2, el compromiso de esta empresa es el de satisfacer las necesidades de los clientes, integrando la tecnología y los estudios necesarios para un mejoramiento de calidad y procesos. La empresa tiene más de 50 años en el mercado, manteniendo por muchos años los niveles de ventas y crecimiento sostenido. La oferta de productos que la empresa proporciona se encuentran en diferentes categorías como son la línea de construcción, automotriz, industrial y de petróleos. A continuación se presenta una muestra de algunos productos que se fabrican en la empresa. 31

32 Tabla 2. Productos fabricados en industrias JOLFERB PRODUCTO IMAGEN DE MUESTRA CONO TORNILLO: Empleado en la griferia del sanitario como empalme de las demas piezas. ZAPATAS: Absorbe y amortigua las irregularidades de distintos materiales como sillas, bastones y demas. BUJES REDUCTORES: El casquillo de caucho se utiliza en una variedad de aplicaciones, tales como los amortiguadores, aisladores de vibración, resistencias a la abrasión, y así sucesivamente. EMPAQUES VARIOS PARA GRIFERIA: Se emplean para dar mayor pulido en las partes de difícil acceso y evitar fugas. Fuente: Industrias JOLFERB 32

33 2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El proceso que se presenta en esta seccion es el acutalmente utilizado por empresas JOLFERB para la fabricacion de diversos productos, este procesos se realiza utilizando diversos equipos y materias primas de forma manual y de acuerdo a los requierimientos solicitados por el cliente. El proceso en terminos generales se resume de la siguiente manera en la figura 6: Figura 6. Descripción del proceso actual industrias JOLFERB 33

34 Figura 6. (Continuación) Fuente: industrias JOLFERB Recepción materia prima: el proceso inicia con la recepción de las distintas materias primas. El caucho natural traido desde Caqueta y Cundinamarca y las demas materias primas como las necesarias en el sistema de vulcanizacion (oxido de zinc, acido estearico, MBT y azufre), antioxidantes, reforzantes y plastificantes suministradas por proveedores en Bogota. Formulación: actualemente la empresa no hace su formulación en PHR (partes por cien de caucho). Según requirimiento del cliente, se planatea es una formulacion en gramos de materia prima variando en la misma unicamente la cantidad de plastificante (aceite quemado que funciona como ablandador en la mezcla de caucho). Pesado: cuando se tienen clara las cantidades de materia prima a utilizar en la formulacion se procede a pesar el caucho Natural 6000gr, caolín 7000 gr, negro de humo 1500 gr, acido esteárico 170 gr, antioxidante 130 gr, acelerante MBT 90 gr, azufre 180 gr y aceite quemado 500 gr. Las cantidades mas pequeñas se pesan en la balanza granataria digital (Imagen 2) como lo son el ácido estearico, antioxidante, acelerante, oxido de zinc y las grandes como el negro de humo caolin y caucho natural en la báscula (Imagen 3). 34

35 Mezclado: se realiza en un molino abierto que lleva dos rodillos que giran en sentidos opuestos (Imagen 4). En dicho molino se van incorporando las distintas materias primas empezando con el caucho natural que es la base elastomerica. Luego se añade el antioxidante y las demas materias primas sin un orden establecido(reforzantes caolín, negro de humo, oxido de zinc, acido estearico, MBT, azufre y el plastificante). Este proceso se lleva a cabo a una temperatura entre 25 a 30 C para evitar una prevulcanización del compuesto. La mezcla se hace pasar una y otra vez por el molino hasta que esta se homogeniza en un tiempo aproximado de 30 a 40 minutos. Laminado: en esta fase la mezcla homogenizada es pasada por el molino (Imagen 4) para introducirla por los rodillos que estan separados en un espesor especifico que facilita los procesos posteriores. Secado: del proceso de laminado sale una plancha de unos 8 mm de espesor de 2,5 a 3 metros de largo y 0,5 a 0,6 metros de ancho, la cual es colocada sobre una mesa de acero inoxidable durante 5 minutos. Corte y vulcanizado: esta parte del proceso se realiza en las prensas hidraulicas, bien sea en las que son operdas de manera manual por un sitema de palanca (Imagen 5) o en su defecto en las que funcionan automaticamente (Imagen 6). La lámina previamente secada se corta según las cavidades del molde a usar y se procede a vulcanizar en las prensas electricas de 220 voltios a una temperatura de 110 C y en un tiempo de 10 minutos. Troquelado: en esta fase se deja enfriar el molde para posteriormente retirar el empaque y refilarlo de manera interna y externa obtiendo asi la forma del producto terminado (empaque de caucho). Del troquelado queda algo conocido como la rebaba que es un subproducto que no es reutilizado en este proceso sino para otros con piezas de menor calidad. 2.3 IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMÁTICA Teniendo presente el proceso de fabricación de empaques de caucho que se lleva actualmente en la compañía, se puede evidenciar que las devoluciones mensuales por producto no conforme son de 15,3% de la producción y que generan pérdidas por ,056 pesos mensuales. Lo anterior, determinado del promedio de los datos de 10 meses del año 2016 presentados en la tabla 3: 35

36 Tabla 3. Devolución mensual JOLFERB MES TOTAL PRODUCCION (COP) DEVOLUCION MENSUAL (%) TOTAL DEVOLUCION (COP) ENERO , FEBRERO , MARZO , ABRIL , MAYO , JUNIO , JULIO , AGOSTO , SEPTIEMBRE , OCTUBRE , Fuente: Industrias JOLFERB Para identificar las problemáticas que genera las devoluciones en los diez meses presentados en la tabla 3 por parte del cliente, se plantea un análisis Pareto para dilucidar las razones que generan esta situación y cuáles de las mismas son las de mayor incidencia Análisis Pareto. Se realizó un análisis estadístico por medio de la obtención de los datos de la planta de 10 meses del año 2016 de enero a octubre. Presentando así los distintos motivos por los que son devueltos los productos, las veces o frecuencia con que ocurren y el total acumulado para cada frecuencia. Los datos están organizados de mayor a menor frecuencia según la información recolectada. 36

37 Tabla 4. Razones de devolución mensual JOLFERB # Razón de devolución Frecuencia Frec. Acumulada Porcentaje Porcentaje acumulado 1 2 Defectos de dureza Producto en mal estado % 40% % 58% 3 Manchado % 74% 4 Terminación equivocada % 81% 5 Pedido duplicado % 87% 6 Baja rotación % 92% 7 Error en cantidad enviada % 97% 8 Otros % 100% Total 90 Fuente: Industrias JOLFERB Las razones de devolución numeradas en la tabla 4 se explican de la siguiente manera: Defectos en dureza: las durezas medidas por el cliente no están dentro del intervalo 35 a 45 shore A. Producto en mal estado: la pieza presenta oxido, perdiendo propiedades y manchando las superficies donde es usada. Manchado: el producto no está totalmente homogenizado, lo que genera manchas de color negro sobre las superficies donde es realizada la prueba para el manchado. Terminación equivocada: residuos adheridos a los moldes reprocesados de una vulcanización a otra, hacen que la pieza quede con grumos o formas distintas a las del molde. Pedido duplicado: producto enviado previamente. Baja rotación: con ciertos clientes se estipula un tiempo para vender el producto o regresarlo a la compañía. Error en cantidad enviada: se envía un lote con piezas faltantes o demás. 37

38 Otros: razones como tardanza en los tiempos estipulados o productos mal empacados o errores en facturación. Gráfica 1. Devoluciones clientes industrias JOLFERB Devoluciones hechas por los clientes enero - octubre % 80% 60% 40% 20% 0% Frecuencia Porcentaje acumulado Fuente: Industrias JOLFERB De este análisis se tiene que el 74 % de las devoluciones está concentrado en las 3 primeras razones, siendo la más importante y que se presenta con mayor frecuencia los defectos en dureza Identificación de causa raíz. La identificación de causa raíz se realiza para tener claridad en las principales problemáticas encontradas en el análisis Pareto. Para lo cual se desarrolló una metodología conocida como las 5M que busca identificar la causa raíz de dichas problemáticas limitando áreas concretas en el proceso para encontrar la parte específica en que está fallando Método de las 5 M : es un análisis estructurado que por medio de cinco ejes principales busca identificar las posibles causas de un problema. Dichos ejes, para seguir un orden que permita abarcar gran parte de las causas y enfocar de manera más concreta el principal problema. Las M corresponden a máquina, método, mano de obra, medio ambiente y materia prima. 38

39 Imagen 7. Diagrama de Ishikawa para el producto no conforme por defectos en dureza. Fuente: Industrias JOLFERB 39

40 En el diagrama de Ishikawa (imagen 7) están todas las posibles causas que generan un producto no conforme, divididas en 5 ítems. A continuación se mencionan las más importantes para cada apartado con su respectiva explicación. MAQUINA: debido a la falta de mantenimientos preventivos a los equipos en planta, en algunas ocasiones (5 en el año 2016) en las prensas hidráulicas el pirómetro encargado de medir la temperatura de vulcanización (110 C) para su respectivo control manual, empezó a presentar fallas dando temperaturas erradas. Lo que originó un empaque sin elasticidad de apariencia pardo oscura y algo quebradizo. La temperatura registrada por el pirómetro era realmente superior a los 110 C, por lo que la mezcla se sobrecalentó perdiendo sus propiedades (dureza, resistencia, elasticidad y apariencia). Además de lo anterior la falta de mantenimiento ha ocasionado una situación similar en el manómetro. La presión, así como la temperatura, es un factor importante en la vulcanización, para que la preforma llene todo el espacio del molde. Presiones inadecuadas pueden llegar a afectar la vida útil del molde o inclusive a tener fallos en el llenado del empaque haciéndolo más blando. 25 METODO: en la actualidad la empresa hace sus formulaciones en peso no en PHR(partes por cien de caucho) por llevar un proceso tradicional y desconocer la manera correcta de hacerlas. Por lo tanto se calcularon los PHR para cada materia prima de acuerdo con la cantidad masica empleada por industrias jolferb. Lo anterior para realizar un analisis comparativo respecto a los PHR recomendados según revision bibliografica para cada materia prima. Como se puede observar en la tabla 5 todas la materias primas (a excepeción del negro de humo estan por fuera de los limites recomendados. Para el caolín al ser una carga reforzante en exceso en la mezcla, hace que esta se sature perdiendo propiedades fisicas y mecanicas en el vulcanizado. El plastificante (aceite quemado) de igual forma que el caolin esta por encima de los limtes recomendados, disminuyendo directamenta la dureza de la mezcla vulcanizada. 25 MIANAMONTO, Op., Cit. 40

41 Tabla 5. Formulación caucho natural industrias JOLFERB Materia Prima Dosificación (gr) PHR calculados Límites de PHR Caucho natural Caolín , PHR 26 Negro de humo PHR 27 Acido esteárico 170 5, PHR 28 Óxido de Zinc 130 4, PHR 29 Antioxidante 130 4,33 0,5-4 PHR 30 M.B.T ,5-1,0 PHR 31 Azufre PHR 32 Aceite , PHR 33 quemado Total Fuente: Industrias JOLFERB Además de no tener en cuenta los PHR de cada sustancia en la mezcla, la rebaba generada en el proceso de troquelado no es reincorporada al proceso para economizar costos bien sea en reforzantes o base elastomérica. 26 KOPRIMO. Especificaciones Caolín (Crown Clay). p BELTRÁN, M. y MARCILLA, A. Tema 2: Tipos De Plásticos, Aditivacion y Mezclado. En: Tecnología De Polímeros. p GONZÁLEZ, Concepción. Componentes involucrados en la formulación de caucho. México. [Consultado el Agosto2016]. Disponible en: Componentes-involucrados-en-la-formulacion-de-caucho.html 29 TORMENTO, Op., Cit. 30 JORGE MANDELBAUM. Envejecimiento de artículos de caucho. En: Nivel de utilización de los antidegradantes 31 GONZÁLEZ, Op., Cit. 32 lbid. 33 lbid 41

42 El siguiente balance de masa de la tabla 6 evidencia la cantidad de rebaba que se genera en el proceso así como las entradas y salidas del mismo. Tabla 6. Entradas y salidas de masa en la fabricación de empaques Entradas Dosificación (gr) Salidas Dosificación (gr) Caucho natural 3000 Producto terminado Caolín 7000 Rebaba 1016 Negro de humo Acido esteárico Óxido de Zinc Antioxidante 130 M.B.T 90 Azufre 180 Aceite quemado 500 TOTAL La rebaba generada en el proceso de fabricación de empaques de caucho es el 8% del total de la mezcla (1016 gr), subproducto que es empleado ocasionalmente para la elaboración de productos de menor calidad como chupas o retenedores de puertas. MANO DE OBRA: el personal en general operarios y directivos llevan mucho tiempo en la compañía por lo que no hay un interes por cambiar el proceso actual. Por el contrario hay una resitencia al cambio, prueba de ello es que se tiene la misma formulacion en peso de la tabla 4 desde Sumado a esto, la falta de capacitacion al personal a llevado a intentos fallidos de formulaciones con una base elastomerica de caucho nitrilo, pedido por un 50 % de los clientes por sus mejores propiedades en dureza y aspecto. 42

43 MEDIO AMBIENTE: las elevadas temperaturas ambientales (28 C o mas), aceleran el deterioro de la pieza. Las fuentes de calor externas (maquinas de la planta) incrementan la temperatura ambiente, haciendo que los artículos ya fabricados sean sometidos constantemente a calor, afectando las propiedades del producto endureciendolo o ablandandolo en un tiempo de exposición prolongado (meses de almacenamiento). 34 Conjuntamente la falta de organización y limpieza en planta contribuyen a la contamiacion de la materia prima y a su vez una mala dosificación de la misma. MATERIA PRIMA: hay un mezclado deficiente, las materias primas son incorporadas sin un orden especifico. La norma NTC 898 (Caucho. Materiales, equipos y procedimientos para mezcla de compuestos patrón y Preparación de láminas vulcanizadas) o ASTM D3182 establece un orden de incorporación, que permite un mayor aprovechamiento de las propiedades que cada materia prima confiere a la mezcla. En la actualidad solo se tiene encuenta el orden de incorporacion del antioxidante y el caucho natural. El orden sugerido por la norma para que las distintas materias primas cumplan de manera adecuada su funcion en la mezcla es el siguiente: (1) caucho o la base elastomerica, (2) 50 % de la carga reforzante, (3) 50% restante de la carga, (4) activadores (óxido de zinc y ácido esteárico), (5) Acelerantes y (6) el agente vulcanizante INDICADOR OEE (OVERALL EQUIPMENT EFFECTIVENESS O EFICACIA GLOBAL DE EQUIPOS PRODUCTIVOS) Para tener un punto de comparación que permita establecer una mejora en el proceso de fabricacion de empaques de caucho, se plantea una herramienta que cuantifica la efictividad y productividad tanto del proceso actual como del alternativo, mediante un porcentaje que indica la eficacia real del proceso productivo. Esta herramienta es conocida como el indicador OEE que se calcula a partir de tres factores en porcentaje: OEE = disponibilidad * rendimiento * calidad. A continuación en la imagen 8 se muestra las manera de obetener los distintos factores ya mencionados. Donde la disponibilidad es el cociente entre el tiempo productivo y tiempo disponible, el rendimiento el cociente de la produccion real y la capacidad productiva y la calidad entre la produccion buena o en buen estado y la producción real RUBITEC. Cómo envejecen los productos de caucho. En: Calor, Oxigeno 35 POSADA-CORREA, JUAN CARLOS, et al. Estudio comparativo de negro de humo y alúmina como cargas reforzantes en mezclas de caucho natural. Revista UIS Ingenierías, 2014, vol. 13, no Calcular OEE. [Consultado el Marzo2017]. Disponible en: 43

44 Imagen 8. Calculo del indicador OEE Por consiguiente para calcular el indicador OEE en industrias JOLFERB se tienen los datos promedio de una semana de trabajo (del 27 al 31 de marzo del 2017), durante un turno de 8 horas (de 8 am a 5 pm) con la presencia de 4 trabajadores, una persona en el molino, dos personas encargadas de las prensas hidraulicas y una encargada de troquelar. 44

45 Tabla 7. Indicador OEE industrias JOLFERB Tiempo disponible : 8 horas PLANIFICACIÓN (Turno 8 h) Velocidad estándar: 108 piezas/hora Objetivo: 864 piezas/turno Solo 7 h productivas de 8 disponibles, por cambio de turnos, tiempos de arranque, DISPONIBILIDAD cambio de moldes y retrasos. Capacidad productiva: 756 piezas/turno Fabricadas una media de 81 piezas/hora, por RENDIMIENTO reprocesos. Piezas reales fabricadas: 567 piezas/turno Del total de piezas fabricadas, una media de 102 piezas son CALIDAD defectuosas Piezas bien fabricadas: 465 piezas/turno Disponibilidad 87,50% Rendimiento 75% Calidad 82,01% Se han fabricado 465 OEE piezas en buen estado durante el turno, frente a una capacidad productiva de 864 piezas por turno. Fuente: Industrias JOLFERB 100% 87,50% 75% 82,01% 53,82% De la tabla 7 se tienen los porcentajes calculados de cada factor (disponibilidad, rendimiento y calidad), con un resultante de 53,82 % para el inidcador OEE. Lo que indica que la eficiencia esta por debajo del 60 %, respecto al objetivo propuesto por la compañia de 864 piezas por turno. Ademas de esto, el producto 45

46 no conforme mencionado en anteriores analisis, es detectado como pieza defectuosa ocacionalmente. Teniendo asi para el factor calidad 102 piezas defectuosas de las cuales el 74,51% son por defectos en dureza (76 piezas). Lo cual afecta considerablemente el porcentaje de la calidad y por ende el del indicador OEE. 2.5 ENCUESTA DE SATISFACCIÓN DEL CLIENTE Se realizó una encuesta a los principales clientes de la compañía para conocer las sugerencias, fidelidad e inconformidades que se tienen respecto a los empaques de caucho actualmente fabricados. La encuesta fue realizada en linea por ser la opcion mas economica y rapida, a 10 de los mas importantes clientes de industrias JOLFERB. Esta consta de 13 preguntas elaboradas en conjunto con la compañía (Anexo E) y de la cuales se extraen los datos mas pertinentes para enacaminar la propuesta de mejora en la tabla 8. Tabla 8. Aspectos importantes de la encuesta de satisfacción del cliente CLIENTE Dureza acorde a lo solicitado Productos competitivos Sugerencia AURELIO HERNANDEZ En desacuerdo En Empaques de desacuerdo nitrilo AVIANCA S.A. En desacuerdo De acuerdo Ninguna COBRANZA EFECTIVA En desacuerdo De acuerdo Tiempos más cortos de entrega COEFECTIVA S.A.S. COMERCIALIZADORA TODO FACIL En desacuerdo En desacuerdo En desacuerdo De acuerdo Empaques de nitrilo Empaques de nitrilo Empaques de nitrilo En DISAN S.A. En desacuerdo desacuerdo FUNDICIONES RAMIREZ En desacuerdo De acuerdo Mejor empacado Empaques de INDUSTRIAS HERVIL En desacuerdo De acuerdo nitrilo En Empaques de MASCOLANDIA S.A.S En desacuerdo desacuerdo nitrilo Empaques de RIOPLAST S.A. En desacuerdo De acuerdo nitrilo Fuente: Industrias JOLFERB, ANEXO E. De la encuesta realizada el 100 % de los clientes encuestados han tenido algún inconveniente con la dureza. El 40 % piensa que la empresa no ofrece productos 46

47 competitivos y un 70% sugiere empaques con base en caucho nitrilo. Como se puede apreciar en la gráfica 2: Gráfica 2. Aspectos más relevantes de la encuesta Con lo anterior, se evidencia la necesidad de lograr una formulación con caucho nitrilo exitosa que además de atender la sugerencia del cliente, permita minimizar los inconvenientes por dureza. Los cauchos NBR son más resistentes a agentes atmosféricos y al agua. Tienen una mayor dureza por su estructura polimérica (1,2-butadiene y el butadieno 1.3) frente al caucho natural (2-metilbutadieno). 37 Además de ser más duro y resistente que el caucho natural, el caucho nitrilo o NBR presenta una mejor apariencia del producto terminado, esto debido a que por afinidad química se hace necesaria la inclusión, para mezclas de este tipo, de plastificantes de mayor calidad. Un ejemplo de estos plastificantes es el DOP que confiere al producto final mejor aspecto y brillantez que un aceite lubricante, usado generalmente para mezclas con caucho natural 37 BILURBINA ALTER, Luis; LIESA MESTRES, Francisco. Corrosión y protección. Edicions UPC, p

48 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL Los problemas presentados a la hora de plantear una mezcla de caucho alteran las propiedades mecánicas del producto y por ende la satisfacción del cliente. Para una mezcla de caucho en primera instancia se deben tener presentes los elementos a incluir, teniendo en cuenta para la selección de los mismos la aplicación de la pieza final y los requerimientos del cliente. Los empaques para grifería necesitan que el material sea lo suficientemente tenaz, rígido y resistente para un mínimo de presión de agua de 20 psi. Por su parte el cliente establece una dureza entre 35 y 45 shore A para dar un visto bueno al producto y como sugerencia en la encuesta realizada, se solicitan formulaciones que contengan como base caucho nitrilo. Por tal razón se plantea una formulación alterna con la que se obtenga un producto más resistente, formulado en PHR y que satisfaga las necesidades del cliente. Para tal fin se toma como base la formulación actual presentada en el diagnóstico, variando en esta su base elastomérica (caucho NBR por caucho natural), su plastificante (DOP por aceite quemado), incorporando rebaba de procesos anteriores buscando economizar costos y un acelerante más que complemente al existente y de mayor estabilidad a la vulcanización. Además de esto se plantea la formulación en PHR para que cada materia prima cumpla adecuadamente su función dentro de la mezcla, incorporando cada una de las mismas según orden de la norma NTC 898. Dicha formulación se emplea en un diseño de experimentos que permita establecer las condiciones de tiempo de vulcanización y cantidad de platificante necesarias para cumplir con los requerimientos cliente. Para la alternativa de mejora se diseña un análisis factorial 2 2 para analizar la influencia de dos factores, el factor A el cual es el tiempo de vulcanizado y el factor B el cual es la concentración de plastificante en la formulación de la propuesta de mejora, la variable respuesta para el diseño del experimento es la dureza la cual tiene como unidad de medida Shore A, para esto se lleva a cabo una metodología experimental, donde se realizan tres replicas para cada condición experimental, en los dos factores estudiados. 3.1 DISEÑO DE EXPERIMENTOS En vista de las principales causas encontradas en los distintos analisis (pareto, 5 M, indicador OEE y la encuesta) como la falta de mantenimientos preventivos, fomulacion en peso, resesitencia al cambio, falta de organización en planta y un mezclado sin orden especifico que genera un producto no conforme por defectos en dureza, se plantea una alternativa de mejora mediante la reformulación de los empaques de caucho. Con esto ademas de abarcar el principal problema que genera devoluciones (dureza) se satisface la necesidad expresada por el cliente 48

49 en la encuesta (empaque con caucho nitrilo). Para tal fin se decidio emplear una herramienta estadistica (DOE) que sirva para plantear mejores condiciones en el proceso en vista de la problemática ya mostrada. El DOE o diseño de experimentos permite analizar por medio de modelos estadisticos, la interaccion de variables importantes en el proceso y con esto tener la información necesaria para mejorarlo. Para tener un punto de partida para el desarrollo del diseño de experimentos se plantea una hipotesis que buscamos confirmar o rechazar Planteamiento de hipótesis. Para este análisis se tienen los factores fijos (concentración de plastificante y tiempo de vulcanización), utilizando para su corroboración la hipótesis de que los mismos tienen efecto en las durezas requeridas por los clientes. Se hace un planteamiento de hipótesis con el propósito de tener claridad en lo establecido para el experimento y realizar una correcta lectura los resultados. Las hipotesis planteadas son las siguientes: Hipotesis Nula: no hay efecto de la concentracion de plastificante (aceite DOP) y tiempo de vulcanizado con respecto a las durezas requeridas por el cliente (dentro del intervalo 35 a 45 shore A). Hipotesis Alterna: Si hay efecto de la concentracion de plastificante (aceite DOP) y tiempo de vulcanizado con respecto a las durezas requeridas por el cliente (dentro del intervalo 35 a 45 shore A) Variables del diseño experimental. Para llevar a cabo el diseño factorial se deben definir los factores y la variable de respuesta del experimento. Por consiguiente se establecio el tiempo y a la cantidad de plastificante como los dos factores inscidentes sobre la variable dependiente o de respuesta la dureza. Cantidad de plastificante: el aceite DOP es el encargado de ablandar la mezcla por consiguiente afecta directamente la dureza del material. Para este factor se manejan dos concentraciones distintas, con la diferencia que van a estar por encima de las actualmente empleadas en la mezcla con caucho natural, por ser mas dura la nueva base elastomerica (caucho nitrilo 55 shore A - caucho natural 42 shore A). Para el experimento se emplean concentraciones de 1500 y 2000 gr puesto que según experimentacion previamente realizada por la compañia, con 1000 gr de plastificante (el doble del proceso con cacuho natural) las durezas oscilaban entre 60 y 70 shorea. Tiempo de vulcanización: es otro factor importante en la dureza del producto, si este no es el necesario la mezcla puede llegar a no cambiar su propiedades mecanicas es decir a no vulcanizarse (tiempos muy cortos) o a quemar el empaque por una sobrevulcanización (mas del tiempo necesario), afectando en cualquiera de los dos casos la propiedades del producto final y por ende la dureza. Actualmente para el proceso de vulcanización se emplea un tiempo de 49

50 10 minutos por lo que se eligió para abarcar un rango por encima y por abajo del usado genericamente por la empresa, un tiempo de 8 y 12 minutos. Tabla 9. Factores y niveles del diseño de experimentos Factor A (Tiempo de vulcanización) Niveles Factor B (cantidad de plastificante Aceite DOP) 8 min 1500 gr 2000 gr 12 min 1500 gr 2000 gr Diseño de experimentos factorial. Para el presente proyecto se utiliza un diseño de experimentos factorial 2 2, debido a que este permite con una menor de cantidad de experimentos estimar los efectos de las dos variables independientes que se quieren estudiar (concentración plastificante y tiempo) sobre la dependiente y principal causa de devolución (duerza), ademas de permitir estimar los efectos entre 2 factores a distintos niveles, para asi tener datos mas precisos. Para dar certidumbre al experimento se realiza cada ensayo de concentración por triplicado para cada uno de los tiempos de vulcanización, esto con la intención de tener validez estadística a la hora de realizar los análisis correspondientes. Se tienen entonces un total de 12 datos de dureza para los dos factores a estudiar (2 2 x 3 = 12) Instrumentación y equipos. En el pesado de las distintas materias primas para la formulación es empleada la balanza digital y la báscula. Para el mezclado de la materia prima se emplea el molino de dos rodillos y para el proceso de vulcanización se emplean las prensas hidráulicas. Con el fin de observar el comportamiento y la influencia del tiempo de vulcanización y la concentración de plastificante en la variable de respuesta, se realiza además una medición de la dureza utilizando un durómetro Baxlo din METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Para la inclusión en la formulación del nitrilo cabe aclarar que su base deja de ser el caucho natural y pasa a ser el nitrilo. El nitrilo mezclado, hasta en mínimas cantidades, con caucho natural no permite la compactación en la mezcla y altera las propiedades del producto final por no tener afinidad con el nuevo plastificante ni con el NBR, por tal razón la base para la nueva formulación es únicamente el 50

51 nitrilo. Además de esta consideración es importante mencionar que el aceite usado en las formulaciones de caucho natural no puede ser el mismo que para la alternativa, para tener afinidad con el caucho nitrilo, es empleado un aceite conocido como DOP (éster Di-Octil ftalato) como plastificante. Para la nueva formulación adicionalmente se hace la inclusión de un subproducto conocido como retal (de nitrilo), que sencillamente es la rebaba o el residuo de procesos anteriores. Dicho retal se formula como parte de la base elastomérica, que junto al NBR sin procesar hacen los 100 phr de los que se parte para formular el resto de los componentes. Como ultima consideración para la nueva formulación se hizo la inclusión de otro acelerante conocido como Thiuram puesto que en la mayoría de formulaciones con NBR se utiliza más de un acelerante para tener un mejor tiempo de procesamiento antes de la vulcanización y a su vez un mejor tiempo de cura. Tabla 10. Consideraciones para la nueva formulación. Materia Prima PHR Cantidad (gr) NBR (Cambio en lugar del caucho natural) Retal (nuevo) Caolín Negro de humo Acido esteárico 1,7 170 Antioxidante 1,3 130 M.B.T 0,9 90 Thiuram (nuevo) 0,7 70 Azufre 1,8 180 Óxido de zinc 1,3 130 DOP (cambio en lugar del aceite quemado) Total La formulación presentada en la tabla 10 es la empleada para realizar el diseño experimental mediante los siguientes pasos: 51

52 Figura 7. Descripción del proceso El anterior proceso se realiza dos veces hasta el paso del secado. Es decir, salen dos láminas con diferente formulación, variando únicamente la cantidad de plastificante (1500 y 2000 gr) para cada una. De cada lámina se cortan 6 muestras con las dimensiones de los moldes, de las cuales 3 se vulcanizan en un tiempo de 8 min y las otras 3 en tiempo de 12 min. Obteniendo de esta forma 12 muestras de las cuales es posible medir los datos de dureza necesarios para el experimento Datos experimentales. Se estudia el efecto del tiempo de vulcanización (Factor A) y de la cantidad de plastificante (Factor B) como factores que afectan la dureza en el producto final, realizando cada condición experimental por triplicado. En la tabla 11 se ilustran los datos obtenidos para el desarrollo experimental. 52

53 Tabla 11. Diseño factorial para evaluar dureza Factor A (Tiempo de vulcanizado) Niveles 8 min 12 min Factor B (cantidad de Aceite DOP) 1500g 2000g Resultado del diseño factorial. Para hacer una correcta interpretación de los datos obtenidos se realiza un análisis de varianza (ANOVA) que busca establecer diferencias entre los grupos de datos obtenidos de la variable de respuesta (dureza) para así saber si las variables o factores seleccionados son significativos en el experimento y así aceptar o rechazar la hipótesis planteada. En la tabla 12 se ilustra el análisis de varianza (ANOVA) desarrollado con el software Statgraphics versión Centurión XVI.II, el cual evalúa la incidencia de los factores al comparar las medias de la variable respuesta en los diferentes niveles de los factores, para declarar las posibles significancias estadísticas entre los tratamientos. Tabla 12. Análisis de varianza para dureza (ANOVA) Fuente Suma de Gl Cuadrado Razón- Valor-P Cuadrados Medio F A:Tiempo de 161, ,333 41,19 0,0007 vulcanización B:Cantidad de 456, , ,51 0,0000 plastificante AB 16, ,3333 4,17 0,0872 Bloques 27, ,5833 3,47 0,0998 Error total 23,5 6 3,91667 Total (corr.) 684, Fuente: Statgraphics versión Centurión XVI.II Los grados de libertad me permiten estimar la varianza del error además de indicar el número máximo de comparaciones independientes entre los niveles de cada factor. Por otra parte los cuadrados medios determinan si los factores son significativos para un posterior rechazo o no de la hipótesis planteada. Con esta información se genera la tabla de análisis de varianza, que resume el ajuste de modelos y sus comparaciones. La tabla ANOVA descompone la variabilidad de 53

54 dureza en contribuciones debidas a varios factores. Los valores-p prueban la significancia estadística de cada uno de los factores. Puesto que los valores-p para los factores A y B son menores que 0,05, estos tienen un efecto estadísticamente significativo sobre la dureza con un 95.0% de nivel de confianza. Haciendo uso de las tablas de distribución F se deduce que si hay efecto de la concentracion de plastificante (aceite DOP) y tiempo de vulcanizado con respecto a las durezas requeridas por el cliente (dentro del intervalo 35 a 45 shore A). Lo que corrobora la hipótesis alterna descrita en el planteamiento de hipótesis. La grafica 3 muestra el efecto de cada factor en la dureza. A mayor tiempo de vulcanización se tiene una mayor dureza, mientras que a mayor cantidad de plastificante se reduce la dureza. Gráfica 3. Principales efectos en la dureza Fuente: Statgraphics versión Centurión XVI.II A mayor tiempo de vulcanización se tiene una mayor dureza, mientras q a mayor cantidad de plastificante se reduce la dureza. 3.3 MEZCLA RESULTANTE PARA LA FABRICACION DE EMPAQUES DE CAUCHO Los resultados del diseño de experimentos ademas de corroborar la hipotesis planateada, indican la cantidad de plastificante y tiempo requerido para que el producto este dentro del intervalo de 35 a 45 shore A exigido por los clientes. Aunque la condicion de 2000 gr de plastificante en los dos tiempos empleados, otorga resultados de dureza dentro de los intervalos requeridos, para economizar gastos energeticos y hacer el proceso de manera mas rapida se recomienda un tiempo de vulcanización de 8 minutos. En resumen la formulacion resultante queda de la siguiente manera: 54

55 Tabla 13. Formulación con caucho nitrilo Materia Prima PHR Cantidad (gr) NBR Retal Caolín Negro de humo Acido esteárico 1,7 170 Antioxidante 1,3 130 M.B.T 0,9 90 Thiuram 0,7 70 Azufre 1,8 180 Óxido de zinc 1,3 130 DOP Total La fomulación de la tabla 13 ademas de ser distinta a la actual, tiene proceso tambien variante en partes especificas. Para la incoporacion de las materias primas se siguio la norma NTC 898 que estipula el orden de mezclado de la siguiente manera (1) caucho o la base elastomerica, (2) 50 % de la carga reforzante, (3) 50% restante de la carga, (4) activadores (óxido de zinc y ácido esteárico), (5) Acelerantes y (6) el agente vulcanizante 38, con lo que no se dan tantas perdidas de materia prima y se aprovecha correctamente la funcion de cada una. Además en el secado de la mezcla, saliente del laminado se espera un tiempo de 15 y no de 5 como se lleva actualemente, esto debido a que a un mayor tiempo de secado se evita prevulcanizaciones, se homogeniza mas la mezcla y se obtiene una pieza de mejor apariencia (mas brillante). Si bien es cierta que la preparación de las diferentes mezclas es hecha de la mejor forma por el operario responsable, el almacenamiento de los insumos necesita de un espacio adecuado para que los diferentes químicos no sufran roturas en sus envolturas ni se originen caídas de los envases que los contienen. Para evitar esto, todos los sacos de insumos deben de ser colocados en forma horizontal en estantes con separaciones horizontes. En un lugar cercano al molino y en general al proceso. Dicha materia prima debe estar rotulada y en un espacio de ser posible limpio, a fin de evitar confusiones cuando el molinero las recoja para realizar la mezcla correspondiente. Una mejor distribución en planta ayudaría a una más rápida labor por parte del operario y a su vez generaría mayor seguridad de las acciones a realizar. Además de lo anterior es importante tener presente el orden de incorporación de cada materia prima, con la finalidad de estandarizar más el proceso y llegar a 38 POSADA-CORREA, JUAN CARLOS, et al. Estudio comparativo de negro de humo y alúmina como cargas reforzantes en mezclas de caucho natural. Revista UIS Ingenierías, 2014, vol. 13, no 2. 55

56 tener inclusive una mezcla masterbatch (mezcla homogénea de caucho y una o varias materias en una proporción alta para su uso como materia prima en la mezcla final del material) y una final. Para ver la mejora del producto mas significativamente, se realizan ensayos fisicos tanto a la formulacion con caucho natural como a la alternativa con caucho nitrilo. Para ello, se plantean 3 ensayos fisicos para medir la calidad del producto en distintos aspectos como tensión, elongación, tiempos de vulcanización, y flexión. 3.4 CARACTERIZACIÓN Por la aplicación del producto final (empaque para griferia) se tomo la decision de hacer un ensayo de tensión - elongación, reometria, y flexión, debido a que cada uno proporciona información necesaria para saber la calidad de la pieza y poderla comparar. Con el ensayo de de tensión - elongación se sabra cual material tiene mayor resistencia para la presion de agua en las griferias, la reometria estipula el tiempo de vulcanización adecuado para las mezclas de caucho y el mejor tiempo de formado de la pieza y finalmente el ensayo de flexión permite estimar si se cumple con los minimos ciclos recomendados para estos productos. En este numeral se hara una descripcion de los ensayos realizados tanto a la formulacion actual como a la alterna. Evidenciando los resultados obtenidos para el proceso actual, para ser despues comparados en el siguiente capitulo de analisis de resultados con el proceso alterno Ensayo de tensión y elongación. Este análisis es realizado por el laboratorio calzado Atlas, la base del ensayo consiste en estirar una probeta desde sus extremos hasta producir su rotura, registrando continuamente la fuerza aplicada y el alargamiento producido. En la tabla 14 se pueden ver los resultados del ensayo realizado a la formulación con caucho natural. Tabla 14. Ensayo tensión elongación caracterización inicial del caucho. IDENTIFICACION DE LA MUESTRA Número de probeta Tensión (Mpa) Mediana tensión (Mpa) Elongación hasta rotura % Mediana elongación hasta rotura % Caracterización 1 0,34 430,3 inicial del 0,39 2 0,45 441,3 caucho 3 0,39 445,5 Fuente: Laboratorios calzado atlas, ANEXO A. 441,3 56

57 La caracterización inicial para el caucho natural se realizó mediante un acondicionamiento de la muestra con una humedad relativa de 50% HR a una temperatura de 23 C en un tiempo de 24 horas, en cuanto a las condiciones ambientales del ensayo la temperatura es de 21,5 C con una humedad del 47,7% HR utilizando mordazas neumáticas, según la norma NTC444:2006. Por lo general este tipo de formulaciones que son en su mayoría para empaques de grifería deben soportar un mínimo de presiones de agua de 20 psi o 0,138 MPa, por lo que el producto actual alcanza a cumplir con lo requerido, con una resistencia mediana de tensión de 0,39 Mpa Ensayo reometria de torque. El ensayo es realizado por el centro ASTIN en Cali según la norma (ASTM D-5289) es empleado para determinar el tiempo de vulcanización en el que se alcanza la cura del material. Este tiempo es en el que se obtiene el 90 % del torque máximo o en otras palabras el 90 % vulcanización (t90). 39 También brinda información acerca del tiempo scorch el cual es el tiempo que tiene la mezcla para adquirir la forma del molde antes de que empiece la vulcanización (1 Nm por encima del torque mínimo) 40. Imagen 9. Reograma formulación actual. Fuente: Centro Nacional ASTIN, ANEXO C. 39 GARCIA, María CARACTERIZACIÓN DE MEZCLAS DE CAUCHO VIRGEN Y RECUPERADO DE TIPO NITRILO. DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES. Universidad Simón Bolívar. Sartenejas, p CASTAÑO CIRO, Nelson. Incorporación de residuos de caucho vulcanizado pos industrial obtenidos por trituración mecánica a mezclas puras de EPDM. MS tesis. Universidad EAFIT, 2012.p

58 En línea punteada la energía en kj y en la línea continúa el torque, ambas con respecto al tiempo en minutos. En la imagen 9 se ve el comportamiento de la formulación con caucho natural en la cual se obtiene un tiempo de cura (t90) de 5,7 minutos y un tiempo scorch de 4,3 minutos. Demostrando de esta manera que el proceso actual se está llevando a un tiempo por encima del requerido, haciendo que el producto entre en su proceso de reversión y pierda sus propiedades Ensayo de flexión. Este análisis es realizado por el laboratorio calzado Atlas, El equipo de prueba de flexión Ross es un equipo de flexión para suelas de zapato que se utiliza para determina la resistencia a la flexión en productos de caucho, el método consiste en doblar continuamente la muestra y observar los daños y roturas de los productos de caucho. Tanto para ensayos de tracción como de flexión, calzado atlas dispone de tres máquinas universales de ensayo, una de ellas equipada con cámara de temperatura para ensayos desde -100 hasta 360 C. Tabla 15. Ensayo Flexión producto actual. IDENTIFICACION DE LA MUESTRA Caracterización inicial del caucho Espesor promedio (mm) Número total de flexiones (ciclos) Longitud final del corte Rotura total Fuente: Laboratorios calzado atlas, ANEXO A. Numero de ciclos para aumento del 100 % Numero de ciclos para aumento del 500 % El ensayo de flexión se realizó en condiciones ambientales de 22,2 C, con una humedad del 47,9%HR, bajo unas condiciones de envejecimiento de 24 horas a 100 C, posteriormente se deja reposar a 23 C con una humedad de 50% HR durante 16 horas, la norma utilizada para este ensayo es la NTC 632:1996, los resultados de este ensayo se ilustran en la tabla 15. Según norma NTC 632: 1996 se realiza a un número total de flexiones o menos, hasta llegar a la rotura total del material. Según requerimientos del laboratorio hubo que hacer aumentos en los cortes de las muestras suministradas en un 100 y 500% para poder realizar los ensayos. Teniendo para el proceso actual un total de 150 y 2000 ciclos soportados antes de la rotura, estando por debajo del mínimo del corte inicial hasta los 2/3 del ancho total de la probeta de ensayo, de acuerdo a la norma NTC (mínimo 200 ciclos para caucho vulcanizado) LUIS, Moreno; DAMARIS, Calvo. Estudio mecánico del asfalto modificado con polímeros y cueros que son utilizados en la elaboración del calzado. 58

59 3.4.4 Resumen de las pruebas físicas realizadas al caucho natural. A continuación se presenta un resumen de los resultados para la formulación con caucho natural, en la tabla 16. Tabla 16. Resumen de resultados caracterización inicial de caucho natural industrias JOLFERB. Parámetro Tensión elongación Flexión Resultado [Unidades] 0,39[Mpa] Mediana, Máxima 0,47[Mpa] 150 y 2000 [Ciclos] Criterios de aceptación Resistir un mínimo de presión de agua de 20 psi o 0,138 Mpa Mínimo 200 ciclos para caucho vulcanizado en el corte inicial Fuente: Laboratorios calzado atlas, ANEXO A. Estos resultados reflejan una tensión que cumple con los mínimos requeridos para este tipo de productos, estando por encima por 0,252 Mpa. Además se muestra por medio de la reometria, que el tiempo de vulcanización actual de 10 minutos, es más largo del necesario por 4,3 minutos, sobrevulcanizando la mezcla y por ende alterando las propiedades del producto final generando inconformidades en el mismo. Finalmente el ensayo de flexión dio como resultado unos ciclos soportados por el material, inferiores a los mínimos requeridos por 50 ciclos. Todo lo anterior que sirve como punto de partida para un posterior análisis comparativo con el proceso alterno. 59

60 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS El propósito de este capítulo es realizar los análisis del comportamiento de la nueva formulación para caucho nitrilo en industrias JOLFERB y el comportamiento del caucho natural del proceso tradicional. 4.1 ENSAYOS EXPERIMENTALES Los ensayos experimentales de tensión - elongación, reometria y flexión permiten obtener una serie de resultados para cada formulación. Dichos resultados son analizados con el fin de comparar la formulación con caucho natural y la nueva hecha con caucho nitrilo para corroborar la mejora planteada en el producto Análisis de tensión y elongación. Para este analisis se compara los resultados obtenidos en tension y elongacion para las dos formulaciones (con caucho NBR y natural). Para dicho análisis es importante mencionar que se proporcionaron tres muestras distintas del mismo caucho para cada caso. Se modificó en cada una de ellas el tiempo de vulcanización con el fin de analizar dicho tiempo y la tensión. A continuación se presenta en la tabla 17 Tiempo - tensión para los datos resultantes. Tabla 17. Valores de tensión para caucho natural industrias JOLFERB Tiempo (minutos) Tensión (Mpa) 8 0, , ,39 Fuente: Laboratorios calzado atlas, ANEXO A. Estableciendo que inicialmente los tiempos para la determinación de estas propiedades están entre 8 y 12 minutos. Se hizo la prueba con los mismos tiempos para el caucho nitrilo, con la finalidad de comparar los resultados. A continuación se presentan los datos obtenidos de la alternativa propuesta, en la tabla

61 Tension (Mpa) Tabla 18. Valores de tensión para la alternativa Tiempo de vulcanización Tensión (minutos) (Mpa) 8 0, , ,33 Fuente: Laboratorios calzado atlas, ANEXO B. Para hacer el análisis de las dos tablas de resultados se plantea la gráfica 4, que representa la tensión en los dos procesos evaluados con respecto al tiempo de vulcanizado para la fabricación de productos de grifería, en donde se puede ver como en el proceso alternativo al minuto 8 de vulcanización se logra obtener el valor más alto en la tensión de 0,47 Mpa. Para dicha grafica se tomaron los datos como puntos debido a que cada uno representa el punto obtenido en el máximo de tensión hasta la rotura total del material, para cada muestra a distinto tiempo de vulcanización. Gráfica 4. Resistencia a la tensión en los procesos tradicionales y alternativos. Valores de tension 0,45 0,4 0,35 Alternativo Tradicional 0, Tiempo de vulcanización (min) A partir de los resultados obtenidos se puede determinar que, además de que el proceso alternativo tiene una mayor resistencia a la tensión por 0,02 MPa más que el caucho natural, el proceso con la alternativa propuesta presenta una menor elongación hasta la rotura que el proceso actual (alterno = 400 % y tradicional o actual = 441,3). Lo que en otras palabras significa que la nueva formulación tiene una mayor rigidez por tener una menor deformación elástica al aplicarle una tensión. Como el producto final es usado en griferías, es muy importante que este sea lo suficientemente rígido y resistente a la tensión para evitar fugas y prematuras pérdidas de espesores en la pieza. El emplear el retal, que contiene partes de reforzantes como negro de humo y caolín en menor proporción que la formulación inicial (negro de humo 15 phr y caolín 70 phr en la formulación sin 61

62 vulcanizar), acrecienta las propiedades mecánicas del producto final, como se evidencio para este ensayo, en resistencia a la tensión y en rigidez Análisis de reometria. La reometria de torque, permite establecer el tiempo de vulcanización a una determinada condición de temperatura. La temperatura es una variable que influye en las propiedades de la mezcla vulcanizada, este ensayo mide la respuesta del torque generado en un proceso a temperatura constante. Esta prueba permite medir además el tiempo de inducción o el tiempo Scorch. Este tiempo depende de la temperatura a la cual se lleve el proceso de vulcanización, debido a que esta influye en la estabilidad de los acelerantes y en la energía de activación de dicho proceso. En la imagen 10 se presentan los resultados para las reometrias de las dos formulaciones. Imagen 10. Reogramas de las dos formulaciones Fuente: Centro Nacional ASTIN, ANEXO C. En los reogramas se presenta en líneas de color rojo la formulación con caucho natural y en azul la de caucho nitrilo. La reometria de vulcanización permite conocer los tiempos y torques generados antes, durante y después de la vulcanización de la mezcla (Imagen 10). El comportamiento de cada formulación puede verse reflejado en un torque constante, en el aumento del torque o en la disminución del mismo después de haber alcanzado su máximo valor, a esto se le conoce como reversión. En dicho proceso de reversión la mezcla pierde parte de sus propiedades mecánicas, tal como se vio en el anterior ensayo de tensión para la formulación alterna, donde su resistencia a la tensión iba disminuyendo al aumentar el tiempo de vulcanización. Se tiene entonces: 62