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TESIS CON CARÁCTER ABIERTO PROGRAMA: DOCTORADO EN POLÍMEROS AUTOR: VICTOR HUGO PONCE IBARRA FIRMA TITULO: Síntesis de PVC con Catalizadores Metalocenos y Estudio de su Degradación Térmica. ASESORES: Dr. Gregorio Cadenas Pliego FIRMA Dr. Roberto Benavides Cantú FIRMA El Centro de Investigación en Química Aplicada clasifica el presente documento de tesis como ABIERTO. Un documento clasificado como Abierto se expone en los estantes del Centro de Información para su consulta. Dicho documento no puede ser copiado en ninguna modalidad sin autorización por escrito del Titular del Centro de Información o del Director General del CIQA. Saltillo, Coahuila, a 8 de 4. 0, t o o Sello de la Institución Julio de 2005 Dr. Juan Méndez Noneli Director General del CIQA y

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TESIS CON CARÁCTER ABIERTO

PROGRAMA: DOCTORADO EN POLÍMEROS

AUTOR: VICTOR HUGO PONCE IBARRA FIRMA

TITULO: Síntesis de PVC con Catalizadores Metalocenos y Estudio de su Degradación Térmica.

ASESORES: Dr. Gregorio Cadenas Pliego FIRMA

Dr. Roberto Benavides Cantú FIRMA

El Centro de Investigación en Química Aplicada clasifica el presente documento de tesis como ABIERTO.

Un documento clasificado como Abierto se expone en los estantes del Centro de Información para su consulta. Dicho documento no puede ser copiado en ninguna modalidad sin autorización por escrito del Titular del Centro de Información o del Director General del CIQA.

Saltillo, Coahuila, a 8 de

4. 0, t

o o

Sello de la Institución

Julio de 2005

Dr. Juan Méndez Noneli Director General del CIQA

y

CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA

- w - y * u * *

TESIS

"SÍNTESIS DE PVC CON CATALIZADORES METAL OCENOS

Y ESTUDIO DE SU DEGRADACIÓN TÉRMICA"

Presentada por:

L.C.Q. Víctor Hugo Ponce Ibarra

Para obtener el grado de:

DOCTOR EN POLÍMEROS

Asesores:

Dr. Gregorio Cadenas Pliego

Dr. Roberto Benavides Cantú

Saltillo, Coahuila

Julio del 2005

CENTRO DE INVESTIGACION EN QUIMICA APLICADA Programa de Doctorado en Polímeros

TESIS

Síntesis de PVC con Catalizadores Metalocenos y Estudio de su Degradación Térmica

Presentada por:

VICTOR HUGO PONCE IBARRA

Para obtener e/grado de:

DOCTOR EN POLÍMEROS

Asesorado por:

Dr. Gregorio Cadenas Pliego Dr. Roberto Benavides Cantú

1'1 A T

Dra. Odilia Pérez Camacho jkPre,idente

Dr. ÁIfler.

o Rosales Jasso Vocal

ES

Dr. Oliverio S. Rodríguez Fernández Secretario

González 2do. Vocal

'fi Jfl!tL

Dra. Catalina Maria Pérez Berumen 3er Vocal

Saltillo, Coahuila Julio, 2005

DECLARACIÓN

Declaro que la información contenida en la Parte Experimental y de Resultados de este documento provienen de las actividades de investigación realizadas durante el periodo que se me asignó para desarrollar mi trabajo de tesis y que dicha información pertenece al Centro de Investigación en Química Aplicada.

Saltillo, Coahuila, a 8 de Julio de 2005.

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Víctor Hugo Ponce Ibarra

Nombre y firma del sustentante

qqico EYFE rfiJofi S411

ESTOSA QÚE SIEMM sii DIÓ st

j4o'Yo, cogwmysióyTC,4RIYO,9 T

A MI7{IJO, QVE VIYO A IL1JMI%4q

s1I VIDA qxE úY,9 S414WE'Rfi

BVESTEUD,9

AGRADECIMIENTOS

Doy gracias a Dios por darme la oportunidad de realizar un sueño que he tenido

-

desde los 15 años, también le agradezco la familia que me regaló en el transcurso de la

realización de esta investigación.

Doy gracias a mi esposa Lulú que me apoyó tanto durante y al final de la

realización de este doctorado, con su infinita paciencia y ánimos me dio lo que tanto

necesitaba y no me daba cuenta.

A mis padres y a mis hermanas por su apoyo constante y tenaz, por impulsarme

a buscar y alcanzar siempre metas.

A mis asesores, Dr. Roberto Benavides y Dr. Gregorio Cadenas, quienes con su

apoyo y consejos me ayudaron a hacer mejor esta tesis.

A Isidro Palos, quien siempre me ayudó y acompañó en las reacciones de

polimerización y a mis compañeros de generación: Erika, Rubén, Mario, Rogelio, así

como a Edgar de Casas que también me ayudó en la parte experimental.

Al CONACyT por otorgarme la beca para la realización de¡ Doctorado Directo y

por el apoyo al proyecto número 41086-Y sobre el cual se realizó la investigación.

Al Professor William H. Starnes, por sus sabios consejos y ayuda incondicional,

su apoyo significó mucho antes, durante y después de la investigación.

Del CIQA les agradezco sinceramente a quienes me ayudaron de alguna manera

durante la investigación: Blanca Huerta Martínez, Silvia Solís Rosales, Esmeralda

Saucedo y Teresa Rodríguez; a Hortensia Maldonado Textle, Lidia Berlanga, Rodrigo

Cedillo, Luis Enrique Reyes Vielma; a Patricia Siller, Janeth Valdéz García, Carlitos de

la Peña, Francisco González, Blanca García, Rogelio Bernal y Mario Reyes.

Índice

ÍNDICE GENERAL

Índice general

Índice de figuras u

Índice de tablas vi

Resumen 1

1. Introducción 2

11. Antecedentes 4

Polimerización de cloruro de vinilo por radicales libres 4

Mecanismos propuestos para la degradación térmica de PVC 7

Los catalizadores metalocenos 13

Otros métodos de polimerización de cloruro de vinilo 20

111. Hipótesis 34

IV. Objetivos 34

V. Parte experimental 35

1. Materiales y reactivos 35

2. Purificación de reactivos y disolventes 36

3. Síntesis de catalizadores 37

4. Procedimiento de polimerización 39

5. Obtención del PVC por polimerización por lotes y posterior homogeneización 42

6. Degradación del material 43

7. Caracterización 44

VI. Discusión de resultados 46

1. Primeras reacciones de polimerización 46

2. Seguimiento de la polimerización a 25 y 40°C 53

3. Efecto de la temperatura en la polimerización 60

4. Efecto de la concentración del activante en la polimerización 67

5. Otras pruebas respecto al mecanismo de polimerización 72

6. Integración de los resultados obtenidos 80

7. Mecanismo de polimerización propuesto 81

8. Propiedades generales del polímero obtenido 88

Índice

Degradación estática 91

Cambios en el color durante la degradación isotérmica 95

Especies oxidadas e insaturadas durante la degradación isotérmica 100

Luminiscencia 105

Fracción insoluble y pesos moleculares 109

Degradación dinámica 113

Integración de los resultados obtenidos 128

Conclusiones 132

Referencias 134

Propuestas de investigación 139

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Polimerización del cloruro de vinilo por radicales libres 4

Figura 2. Errores estructurales durante la polimerización de cloruro de vinilo 5

Figura 3. Transferencia del electrón de la unidad en crecimiento al interior de la cadena 6

Figura 4. Transferencia de polímero a polímero en el Poli(cloruro de vinilo) 6

Figura 5. Formación de polienos por pérdida de HC1 en el PVC 8

Figura 6. Mecanismo jónico propuesto para la pérdida de HCI en "zipper" 8

Figura 7. Pérdida de una molécula de HC1 por la influencia de otra de origen externo 8

Figura 8. Mecanismo radicálico propuesto para la pérdida de HCI en "zipper" 9

Figura 9. Posible mecanismo de pérdida de cloro referente a su tacticidad en el PVC 9

Figura 10. Introducción del oxígeno en la degradación del PVC 10

Figura 11. Entrecruzamiento de cadenas por mecanismo Diels-Alder 11

Figura 12. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC 11

Figura 13. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC 12

Figura 14. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC con la influencia

de un átomo de hidrógeno 12

Figura 15. Formación de benceno dentro de la cadena 12

Figura 16. Formación de una molécula de benceno y una insaturación en la cadena madre 13

Figura 17. Algunos catalizadores metalocenos 15

u

Indice

Figura 18. Árbol familiar de catalizadores metalocenos de sitio único 15

Figura 19. Co-catalizadores utilizados en catálisis con metalocenos 16

Figura 20. Mecanismo de formación de la especia activa 17

Figura 21 Catalizadores metalocenos y sus productos estereoregulares 18

Figura 21. Continuación. Catalizadores metalocenos y sus productos estereoregulares 19

Figura 22. Éteres de magnesio utilizados como iniciadores 21

Figura 23. Espectro parcial de PVC iniciado con t-Bu-t-PeMg 22

Figura 24. Espectro parcial de PVC iniciado con (t-Bu)2M9 22

Figura 25. Propuesta de formación de ciclopropano durante la polimerización 24

Figura 26. Simplificación del mecanismo sugerido para la polimerización radicálica viviente

de cloruro de vinilo en agua!THF catalizada por Cu°/trenIPEI iniciada con CHI3 24

Figura 27. Mecanismo de polimerización supuesto entre alquilitios y cloruro de vinilo 25

Figura 28. Sistema catalítico capaz de producir s-PVC según la patente japonesa 08208736

27

Figura 29. Sistema catalítico general utilizado por Endo y Saitoh 28

Figura 30. Sistemas catalíticos utilizados por Foley y colaboradores 30

Figura 31. Sistema catalítico utilizado por Xu y colaboradores 31

Figura 32. Proceso de síntesis de tricloroindeniltitanio 39

Figura 33. Esquema del sistema para polimerizar cloruro de vinilo 40

Figura 34. Transvasado del monómero 41

Figura 35. Recuperado del monómero residual 42

Figura 36. Sistema de degradación isotérrnica utilizado 43

Figura 37. Mecanismo de activación y polimerización propuesto 49

Figura 38. Cambio de estado del sistema catalítico según la polaridad del disolvente 50

Figura 39. Espectros de 'H RMN de los primeros polímeros obtenidos 51

Figura 40. Detalles de los espectros de RMN de 'H de los polímeros obtenidos 51

Figura 41. Comparación de otras señales reportadas 52

Figura 42. Conversión, Peso molecular e índice de polidispersidad obtenidos a través del

tiempo de reacción a 25°C 54

Figura 43. Seguimiento de reacciones publicadas53 55

lii

índice

Figura 44. Conversión, Peso molecular e índice de polidispersidad obtenidos a través del

tiempo de reacción a 40°C 56

Figura 45. Espectros de RMN de 'H de los polímeros producidos en CH2C12 a 25 y 40°C 58

Figura 46. Detalle de los espectros de RMN de 1 H de los polímeros producidos en CH2C12 a 25

- y40°C 59

Figura 47. Coordinación de elementos aromáticos al centro metálico 60

Figura 48. Conversión, Peso molecular e índice de Polidispersidad obtenidos a través de la

temperatura de reacción 61

Figura 49. Temperatura de transición vítrea y tacticidad obtenida a través de la temperatura de

reacción 62

Figura 50. Comparación del seguimiento de la reacción a través de la temperatura 63

Figura 51. Tacticidad de PVC obtenida por RMN de 13C de otros experimentos y el que se

presenta65 65

Figura 52. Variación de la Tg con 1/Mn para una serie de PVC's polimerizados a diversas

temperaturas65 65

Figura 53. Transformación digital de la Figura 5265 66

Figura 54. Conversión y peso molecular obtenidos a través de la relación del sistema catalítico

68

Figura 55. Comparación de la relación co-catalizador/catalizador53 69

Figura 56. Perfil de cambio de los espectros de 1 H RMN del PVC obtenido de acuerdo al

cambio en la relación co-catalizador/catalizador empleada 69

Figura 57. Posible ruta de reacción del Cp*Ti(CH3)3MAO con CV a alta relación de

activación 71

Figura 58. Mecanismo probable de reducción del catalizador 73

Figura 59. Posible mecanismo de polimerización catiónico a baja relación de MAO 73

Figura 60. Posible terminación de cadena en mecanismo catiónico. 74

Figura 61. Posible mecanismo de polimerización por coordinación 75

Figura 62. Espectro de RMN de 1 H del PVC obtenido con el catalizador en Ti(III) 77

Figura 63. Acción del inhibidor TEMPO sobre el sistema catalítico 78

Figura 64. Posible iniciación de cadena por radicales del indenilo 79

Figura 65. Finales de cadena obtenidos en el PVC 81

iv

Índice

Figura 66. Espectro de correlación de dos dimensiones de RMN de 'H 82

Figura 67. Espectro de RMN de 'H de PVC producido en solución a 40°C con AIBN 83

Figura 68. Detalle del espectro de RMN de 'H de PVC producido en solución a 40°C con

AIBN 84

- Figura 69. Mecanismo de polimerización por coordinación propuesto 84

Figura 69. Continuación. Mecanismo de polimerización por coordinación propuesto 85

Figura 70. Posibles finales de cadena

Figura 71. Mecanismo propuesto de transferencia de radicales de cadena a monómero 87

Figura 72. Iniciadores utilizados para la producción del PVC comercial 88

Figura 73. Espectros de RMN de 'H de los polímeros a degradar 89

Figura 74. Patrones de difracción de Rayos X de ángulo amplio de los polímeros y picos

esperados según una célula ortorrómbica74 90

Figura 75. Evolución de HC1 de la muestra comercial a 160°C en aire 91

Figura 76. Curvas de evolución de HC1 de los polímeros Met y Com a 160, 170 y 180°C en

aire y nitrógeno 93

Figura 77. Tiempo de Inducción a la liberación de HC1 y MRDHC 94

Figura 78. Fotografia de las muestras de PVC degradadas atmósfera de aire 96

Figura 79. Fotografia de las muestras degradadas en atmósfera de nitrógeno 97

Figura 80. Índice de Amarillamiento 98

Figura 81. Descomposición del color real de los polímeros sin degradar y degradados en sus

componentes primarios (escala solo en el eje del rojo) 99

Figura 82. Índice de dobles enlaces 102

Figura 83. Índice de Carbonilos 103

Figura 84. Espectros de FTIR de los polímeros degradados a 180°C en aire 104

Figura 85. Espectros de Fluorescencia de los materiales sometidos a diferentes tiempos de

degradación (mm) en aire a 280 y 360 nm de excitación 106

Figura 86. Espectros de Fluorescencia de los materiales sometidos a diferentes tiempos de

degradación (mm) en nitrógeno a 280 y 360 nm de excitación 107

Figura 87. Puntos máximos de los espectros de emisión 109

Figura 88. Porcentajes de Gel de las muestras degradadas 110

Figura 89. Pesos moleculares e índices de Polidispersidad 112

y

Índice

Figura 90. Termogramas de PVC Com y PVC Met en oxígeno (02) y nitrógeno (N2) 114

Figura 91. Termogramas de PVC Com y PVC Met en mezclas de oxígeno y nitrógeno 116

Figura 92. Termogramas TGA del PVC Com y sus derivadas a 2, 5, 10, 15 y 20'C/min 119

Figura 93. Termogramas TGA del PVC Met y sus derivadas a 2, 5, 10,15 y 20'C/min 120

Figura 94. Termogramas TGA y sus derivadas de mezclas PVC/CPE (sic)102 122

Figura 95. Puntos máximos de la Derivada de pérdida de HC1 en TGA 124

Figura 96. Gráficas de Arrhenius para la Energía de Activación al 5% de conversión de los

polímeros analizados 126

Figura 97. Energías de activación de cada material según la mezcla de gas introducida. 127

ÍNDICE DE TABLAS

Efecto del ligante ciclopentadienilo y grupos X sobre algunas propiedades del sPS 19

Primeros polímeros sintetizados 48

Extrapolación entre s-PS y PVC producidos por IndTiCl3-MAO 76

Polimerización de cloruro de vinilo con el sistema catalítico IndTiCl3-MAO con y sin

TEMPO lo

Propiedades de los materiales a degradar -139

Porcentajes de la primera pérdida en peso de los materiales caracterizados según la

atmósfera aplicada a la cámara de degradación 121

vi

Resumen

RESUMEN

Se realizó la polimerización en solución de cloruro de vinilo con el sistema catalítico

IndTiCl3 activado con metilaluminoxano en distintas relaciones de activación, a varias

temperaturas y tiempos de reacción. El poli(cloruro de vinilo) obtenido en dicloruro de metileno,

a 25°C y 24 horas de reacción y con una relación molar cocatalizador/catalizador = 10, es el que

presenta las mejores características deseables en un PVC (polimerización por coordinación de

sitio único, alta conversión, color blanco y conteniendo principalmente unidades CH2 y CHC1)

-

aunque no presenta control de estereoregularidad y está acompañado de polímero producido por

radicales libres de origen desconocido. El aumento de la relación cocatalizador/catalizador causa

que la conversión de monómero a polímero disminuya drásticamente y que la naturaleza del

material obtenido cambie de manera notoria. La disminución de la temperatura no modifica la

naturaleza de la reacción, pero el aumento si la transforma a una polimerización dirigida

principalmente por radicales libres. La naturaleza del disolvente y monómero utilizados, así como

de la especie activa se relacionan con la ausencia de estereoselectividad en la polimerización.

Después de obtener suficiente material de PVC en óptimas condiciones de reacción -

máxima conversión y peso molecular- se procedió a someterlo a estudios de degradación,

comparándolo con un material de origen comercial. Los resultados revelan que el PVC producido

durante esta investigación tiene una resistencia menor a la temperatura, en comparación con la

muestra comercial, debido principalmente a su mayor área superficial y a que presenta dobles

enlaces desde el momento de su producción. La causa de lo anterior es el ácido clorhídrico

presente en la solución utilizada para neutralizar la especie activa en la polimerización. Sin

embargo, este polímero procedente de la polimerización por coordinación, demuestra tener

solamente una conformación carbono-cloro, a diferencia del PVC comercial, que muestra dos

tipos de conformaciones. La modificación de la atmósfera, en la degradación dinámica, de inerte

a parcial ó totalmente oxidativa señala que la muestra comercial disminuye su energía de

activación drástica y definitivamente, mientras que el polímero producido incrementa su energía

de activación en atmósfera de oxígeno; pero si la presencia de éste gas es absoluta entonces dicha

energía vuelve a ser casi la misma que en atmósfera inerte. Esto significa que en caso de superar

los problemas de la influencia del HC1 en la solución metanólica durante la polimerización y la

alta área superficial, se podrían obtener polímeros de mayor estabilidad y utilidad práctica.

1

Introducción

1. INTRODUCCIÓN

El cloruro de vinilo, monómero a partir del cual se produce el poli(cloruro de vinilo) o

PVC, fue producido casi al mismo tiempo, en 1835 por Regnault y Von Liebig en Francia y

Alemania respectivamente, mediante la reacción de dicloroeteno con hidróxido de potasio en

etanol, su polimerización fue demostrada en 1872 por E. Baumann, quien expuso al sol un tubo

de vidro sellado con cloruro de vinilo -proceso conocido hoy como autopolimerización-

obteniendo un polvo blanco precipitado, que era afectado por el calor y tenía fragilidad a los

- esfuerzos. De 1913 a 1933 surgen varias patentes de polimerización y copolimerización en el

mundo, así como de su plastificación, sin embargo, fue la Segunda Guerra Mundial la causante

de que la producción de éste plástico se incrementara enormemente, debido a que fue utilizado

como recubrimiento de cable y alambre.

El PVC es producido comercialmente mediante la polimerización por radicales libres

realizada por cuatro procesos diferentes: suspensión, emulsión, masa y solución. En cantidades

aproximadas, el 75% del PVC en el mundo es producido por polimerización en suspensión,

mientras que el 12% por emulsión y el 10% en masa, una parte mínima de 3% es producida por

polimerización en solución. Los pesos moleculares obtenidos no varían mucho en cada proceso,

sin embargo la pureza obtenida depende mucho del proceso de producción, las polimerizaciones

en masa y en solución producen PVC con menor cantidad de impurezas tales como residuos de

peróxidos o metales del iniciador utilizado. En este contexto es importante hacer notar que las

condiciones de polimerización tienen un papel determinante en la estabilidad térmica del

polímero, siendo de conocimiento general que la temperatura de polimerización tiene una

- influencia inversamente proporcional a la temperatura inicial de degradación del polímero. 1 '2

La degradación del PVC es conocida desde los inicios de su obtención y ha sido

combatida mediante la adición de estabilizadores térmicos,3 que a través de los mecanismos mas

variados corrigen los errores estructurales que tienen las cadenas, atrapan y/o destruyen el ácido

clorhídrico liberado, interfieren con los mecanismos de degradación, reaccionan con los polienos

o hacen inocuos a los productos de reacción, estos aditivos han permitido el procesamiento,

comercialización y uso del material de manera extensiva, sin embargo, queda aún por resolver

una gran interrogante; ¿Existe alguna forma de lograr producir un polímero que intrínsecamente

sea más resistente a la degradación? logrando así evitar en mayor medida el detrimento de sus

2

Introducción

propiedades. Para tener una idea de la respuesta, es necesario analizar los factores que intervienen

en el mecanismo de degradación del poli(cloruro de vinilo), además de identificar las estructuras

que inician la degradación temprana de este material tales como dobles enlaces, cloros alílicos,

ramificaciones y buscar la estrategia para obtener PVC que no presente estas características

estructurales.

La búsqueda de ésta solución ha sido realizada por muchos investigadores desde hace

varias décadas, pero ha sido mas intensa en los últimos años y todos los estudios se concentran en

una línea general, reconociendo los defectos estructurales producidos durante la polimerización

como los responsables directos de la baja resistencia a la degradación del rnaterial,46 las

investigaciones han logrado avances importantes para dar a conocer dichos defectos, pero a pesar

de esto no se tiene la certeza de la influencia de cada uno de ellos debido a que no se cuenta con

métodos de polimerización capaces de producir PVC con características controladas,

principalmente sobre la ausencialpermanencia ó cantidad de estos defectos, se desconoce si la

exclusión de alguno o de todos los defectos de la cadena principal logre el esperado aumento en

las propiedades térmicas, por lo que las últimas líneas de investigación se han avocado a buscar

un método capaz de eliminar las estructuras anómalas del PVC para resolver esta cuestión.

La polimerización de olefinas y estireno con catalizadores metalocenos permite obtener

polímeros con estructuras bien definidas, este método de polimerización es de los mas novedosos

y capaces de obtener polímeros estereoregulares, ya sea polímeros iso, sindio o heterotácticos, en

este punto es importante señalar que la estereoregularidad del PVC ha sido señalada como un

factor que interviene en la estabilidad del PVC, aunque esto sigue en controversia.56

En el grupo de Investigación de catálisis vía metalocenos del CIQA se conoce la

problemática del PVC y se ha iniciado una línea de investigación que tiene como objetivo

sintetizar PVC con diferente estructura a la que se obtiene por el método de polimerización a

través de radicales libres, se considera que el empleo de catalizadores metalocenos de Ti y Zr en

la polimerización de cloruro de vinilo conducirá a polímeros con estructuras bien definidas. Para

complementar esta investigación se realizarán los estudios de degradación térmica del material

obtenido frente a uno comercial, con esto se busca hacer una contribución científica importante

- que aporte nuevos conocimientos a la controversia de la degradación del PVC.

al

Antecedentes

II. ANTECEDENTES

11.1 POLIMERIZACIÓN DE CLORURO DE VINILO POR RADICALES LIBRES

La polimerización de cloruro de vinilo se lleva a cabo, industrialmente, vía radicales

libres, que logran la adición del monómero actuando sobre el doble enlace del cloruro de

vinilo (Figura 1):

nidación

2R'

R + ____ RCH Cl Cl

Propagación

RCH- 1 1 + CII CI J

RfrCl

CH.

Transferencia de cadena

Cl

-WvrDCH-

Cl CI

mación

CH2 CH2—CH 1 Cl CI CI

RCH 1-11

^"-T 1 +

Cl Cl n

RCH

L ClI Cl 1 CII Cl

L

+ CI

R 11- ^'Y "'-) R

1 ClI CI L -1 m

1.9

Figura 1. Polimerización del cloruro de vinilo por radicales libres

El

Antecedentes

El proceso de polimerización no es perfecto, durante su desarrollo el monómero se une de

manera cabeza-cola y cabeza-cabeza, éste último modo de adición es reconocido como

*

responsable de que se generen en el polímero insaturaciones, cloros terciarios y

ramificaciones, que intervienen de manera importante en la estabilidad del PVC. Después de

años de investigación se ha unificado un esquema de polimerización que define las vías por las

cuales se generan estos errores de cadena (Figura 2).

CV P. CV -- --

P. —CH2—CHCI—CHCI—CH2

1 2

III 4,

4 II

—CH2—CH----CHCI—CH2CI - —CH2----CHCI--CH---CH2CI

CVI5a

CV cv 'CV

CH2CI

VI CHCI—CH2CI

1 —CH2—CH—CH2—CHCI —CH2—C CH—CH2CI —CHCI—CH CH2—C

H

CH2=CH

CI

P = Polímero en crecimiento

+

CH2CF

7 jVC

Figura 2. Errores estructurales durante la polimerizaclon ae cloruro ae vinilo

Cuando la polimerización se efectúa por adición cabeza-cola (reacción la) ésta se considera

normal, pero la adición ocasional cabeza-cabeza (ib) forma la especie 1, que mediante el

cambio de un átomo de cloro forma la especie II, ésta a su vez entra en un equilibrio de

rearreglo del átomo de cloro intermedio, dando como resultado las especies II y III. Éstas

pueden sufrir pérdida de un átomo de cloro (flechas 5b y 3b) para dar grupos cloroalílicos

finales (V) mientras que dicho átomo continúa la polimerización al unirse a una unidad

monomérica, o por otro lado continuar la adición de monómero en el sitio donde se encuentra

el electrón y producir ramificaciones en el polímero en crecimiento (IV y VI).

La Figura anterior muestra la formación de insaturaciones cloroalílicas y

ramificaciones cortas, (cloroetílicas y clorometílicas) mediante el arreglo de un electrón dentro

5

Antecedentes

de la misma cadena, por otra parte, se pueden producir ramificaciones de 4 carbonos mediante

el "back-biting" ó mordida en la espalda:5 debido a que la cadena en crecimiento puede

torcerse e introducir un electrón que causa el crecimiento al interior del polímero (Figura 3)

CI Cl CI

p J.

Figura 3. Transferencia del electrón de la unidad en crecimiento al interior de la cadena

Otro mecanismo propuesto en la Figura 4 es la transferencia de polímero a polímero,

que es capaz de generar una cantidad adicional de estructuras anómalas dentro de la cadena

principal.6

PVC

PH +

CHCI—CH—CHCI—

Cv

2< _ II CH2—CHCI CH CH—CHCI

CHCI—CH—CHCI— CICH2CHCI

p 1. ;~~

Figura 4. Transferencia de polímero a polímero en el Poli(cloruro de vinilo)

La abstracción de un átomo de hidrógeno a una cadena de polímero ya terminada genera el

radical 1, que posteriormente puede iniciar una ramificación en este átomo de carbono (II) por

adición de monómero, o perder un átomo de cloro y formar una insaturación, mas un radical

.

Antecedentes

1,2 dicloroetilo formado por el átomo de cloro perdido de la cadena y su unión con una

molécula de monómero, este es capaz de continuar la polimerización.

11.2 MECANISMOS PROPUESTOS PARA LA DEGRADACIÓN TÉRMICA DEL PVC

Fenómeno zipper:. Este mecanismo es supuesto como un hecho, aunque no se ha

comprobado totalmente, los dobles enlaces aislados y las estructuras cloroalílicas producidos

durante la polimerización son considerados los precursores de este fenómeno.5'6 El proceso se

supone inicia con la pérdida de una molécula de ácido clorhídrico seguida de la pérdida

subsecuente de la siguiente molécula de HCI, generando así un efecto de cremallera y

produciendo dobles enlaces conjugados. En la Figura 5 se representa el proceso:

+CH2—CH2CI -HCI

CHCHJJCH2__cH2c+_

CH=CH_] + n-1 HCI

Figura 5. Formación de polienos por pérdida de HCI en el PVC

Durante el proceso, el polímero no se convierte en un polieno desde el inicio hasta el final de

la cadena, lo que representaría una muy baja inestabilidad, y la razón principal para que no

suceda esto, es que hay otras reacciones que están ocurriendo al mismo tiempo y lo impiden.

De cualquier manera, se ha reportado un número máximo de n = 30, y promedios que varían

entre 6 y 14. Estos polienos son iniciados por cloros lábiles y uno de los mecanismos

propuestos es el iónico,57 que se puede observar en la Figura 6. La formación de la estructura

inferior derecha (mecanismo de 6 centros) ha sido fuertemente cuestionada respecto a su

operabilidad durante la degradación térmica, de cualquier manera, se presenta con fines

informativos.6'8

El ácido clorhídrico liberado por la cadena principal ha mostrado siempre un efecto

catalítico en la pérdida de más ácido clorhídrico, es decir que la degradación del PVC es de

carácter autocatalítico. La pérdida y acción del ácido en la cadena de polímero ha sido

a

7

Antecedentes

propuesta como de carácter jónica,5 mientras que otras investigaciones apuntan a una

naturaleza molecular9 y otras más a una mezcla de mecanismos;10 de cualquier manera que

ocurra, el acuerdo general es que el ácido clorhídrico cataliza la formación y crecimiento de

polienos a través de un ciclo de 6 átomos (Figura 7):

.JW.CH2__CHCI_CH2_CHCI__CH2_.CHCI.rvw /WCH2 ..CH CH—CHCI--CH2—CHCkWI flI

\WCH2_CH=CH_CH____CH_CHCI.J.vw \WCH2__CHCH__CHCI_CH2_CHCI.JWJ +

1

C IiH

____ _____ 1

HCI

WV' CH2_CHCH_CH CH—CHCI.Jwv \/V\I'CH__CH=CH_CH____CH2 _CHCIJVW

+ H-----------------------CI HCI

Figura 6. Mecanismo iónico propuesto para la pérdida de HCI en "zipper"

—CH2---CH CH—CHCI—CH2—CHCI--- —CH2-----CH CH—CI-ICI—CI-12—CHCJ----

'H-CI'

HCI

2 HCI + —CH2—CH CH—CHCI—CH2—CHCI---- Figura 7. Pérdida de una molécula de HCI por la influencia de otra de origen externo

Además del mecanismo iónico para el fenómeno "zipper", se ha propuesto un

mecanismo de naturaleza radicálica," donde un radical originado por el calentamiento inicia

una insaturación al extraer un protón de la cadena principal, este se observa en la Figura 8:

Es de observarse que en ambos mecanismos propuestos existe una estructura

cloroalílica momentánea, esto da a entender su alta importancia en la etapa inicial de la

degradación. Es importante señalar también que el fenómeno zipper tiene un largo historial de

controversia respecto a su naturaleza,5 " aunque una investigación reciente12 opina que

inicialmente la formación de polienos es de tipo no radicálica, pero la posterior autocatálisis sí

es de naturaleza radicálica, esto fue determinado a través de la adición de inhibidores como 3-

caroteno y mercurio.

1

Antecedentes

—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2— -RH —CH--CH—CH—CH2—CH—CH2—

R+ 1 CI

1 1 CI CI CI CI CI

--CH—CHCH—CH—CH—CH2 - —CH—CHCH—CH—CH—CH2

CI CI CI H CI

- HCI CI

—CH--CH=CH—CH=CH—CH2— Etc

CI +

CI. Figura 8. Mecanismo radicálico propuesto para la pérdida de HCI en "zipper"

La tacticidad en la degradación del PVC: Otro mecanismo propuesto respecto a la

pérdida del átomo de cloro fue hecho por Starnes13 en el cual la dehidrocloración ocurre vía un

catión cloronio cíclico, éste se expone en la Figura 9:

Cl

Figura 9. Posible mecanismo de pérdida de cloro referente a su tacticidad en el PVC

La posibilidad de que la reacción ocurra está documentada en cálculos de teoría orbital

molecular, esto lleva entonces a predecir el siguiente orden de reactividad en las estructuras

estereorregul ares:

Isotáctico>heterotáctico>sindiotáctico

Esta teoría vigorizó e influyó en una línea de investigación que se avocaba

principalmente a producir poli(cloruro de vinilo) con tacticidad mayor a la que tiene el

producido comercialmente con la finalidad de corroborar o descartar ésta conjetura, dicha

línea fue seguida principalmente por dos grupos de investigadores, uno en Rusia y otro en

España, otros grupos aislados prefirieron solo tratar de obtener un material diferente al

comercial y dar a conocer sus propiedades, éstas publicaciones se analizan más adelante, pero

los resultados publicados por los primeros dos grupos se analizan enseguida:

•• Troitskii y colaboradores'4"5 llegan a la conclusión de que la tacticidad no tiene

influencia significante alguna en la degradación térmica del PVC, o dicho de otra

Es

Antecedentes

manera, que éste proceso no es estereoselectivo. Su metodología es la obtención de

polímeros con una temperatura de reacción que va de -75 a 90°C, así como diversos

iniciadores, mientras que la degradación se realizó por evolución de ácido clorhídrico.

+ Millán y colaboradores'6'17 concluyen que la triada isotáctica es la estructura

determinante en la degradación térmica del PVC. Su metodología es la obtención de

polímeros bajo temperaturas de reacción que van de 50 a 90°C con AIBN ó irradiación

ultravioleta, el material obtenido fue sometido a substitución del cloro lábil para

después ser degradado en condiciones isotérmicas y obtenida la evolución de ácido

clorhídrico.

Influencia del oxígeno: Según algunos investigadores,'8 el rol esencial del oxígeno en

la dehidrocloración es la transición del estado basal triplete (02) a singulete (102) al

interaccionar con el PVC formando una estructura cíclica de cuatro centros. Si la transición se

invierte, entonces el oxígeno se añade a la cadena y se elimina HCI, posteriormente se forman

fácilmente fragmentos carbonilos (Figura 10):

HH --- C—C---

+ 2 Cl H

fragmentos carbonílicos

estado

triplete

9 ---- 9 Transición

--- CH—CH --

1 electrónica Cl H

-HCl

estado

singulete

9-9 --- ÓH—ÓH--

Cl—H

ruptura y desorción

0-0

-- -C—C- -- - H H

3 02 +HCI+ ----H H -

Figura 10. Introducción del oxígeno en la degradación del PVC

Este mecanismo propuesto en base a cálculos de teoría de orbitales moleculares demuestra la

importancia de la atmósfera a la cual se somete el plástico a degradación.

Reacciones secundarias: Al estudiar la degradación del PVC se ha observado que se forma

material insoluble, así como un aumento en la viscosidad del plástico. Lo que está sucediendo

10

Antecedentes

es que las cadenas macromoleculares están sufriendo entrecruzamiento, así como ruptura de

cadenas. En estado sólido, la formación de gel inicia al 1 % de dehidrocloración, y se hace

extensiva después del 2 %. El mecanismo mas aceptado por la comunidad científica mediante

el cual ocurre este entrecruzamiento es la cicloadición Diels-Alder, que se observa en la

Figura 11:5

+

Figura 11. Entrecruzamiento de cadenas por mecanismo Diels-Alder

Durante la degradación térmica se obtienen compuestos volátiles, principalmente benceno y

algunos derivados (tolueno, etilbenceno, xilenos, estireno), en menor cantidad se liberan

naftaleno y aromáticos superiores, cadenas insaturadas y aromáticos dorados.19 La mayoría de

estos compuestos inician con la formación de benceno para después tomar parte en otros

procesos y crecer o liberarse al ambiente. Para la formación de benceno dentro de las cadenas

de polímero se han propuesto algunos mecanismos5:

o Ciclización y ruptura en los grupos clorovinílicos finales: El final de cadena que tiene

una insaturación se dobla hacia dentro de la cadena y después de formar un ciclo de 6

carbonos por entrecruzamiento sufre ruptura homolítica y pierde una molécula de

benceno (Figura 12).

--- r"-~ CI CI Cl CI

H 0 --- :—_~ Figura 12. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC

11

Antecedentes

Formación de benceno por dos rompimientos homolíticos: Una cadena se tuerce en

forma de "U" por alguna parte central y se entrecruza formando un ciclo de 6

carbonos, dejando una molécula de benceno y dos cadenas libres (Figura 13).

-Rl ° -R2-

Rl R2 Rl R2 R2

(Rl, R2 = - - - 1 - - - - -

- - -)

CI Figura 13. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC

Extensión del mecanismo que incluye sustracción intramolecular de un protón:

Además del mecanismo anterior se muestra la influencia de un átomo de hidrógeno

producto de una ruptura homolítica (Figura 14).

-Rl \ -R2° °

Rl R2 Rl R2 R2 H H R2 H H

Ci /H -

Figura 14. Entrecruzamiento y liberación de benceno de una cadena de PVC con la influencia de un

átomo de hidrógeno

Formación de aromáticos en la cadena: Una cadena entrecruzada en algún punto medio

sufre pérdida homolítica de dos átomos de hidrógeno, dejando así una molécula de

benceno atrapada en la cadena (Figura 15).

H H H 0

Figura 15. Fromación de benceno dentro de la cadena

12

Antecedentes

o Ciclización y ruptura de la cadena: Una cadena de polímero se entrecruza en algún

punto medio y se produce una molécula de benceno mas la cadena con una

- insaturación gracias a la ruptura homolítica (Figura 16).

09 Q111 / Q <> 0

Rl R2 Rl R2 Rl R2 Rl R2

+ R1CH=CHR2

- Figura 16. Formación de una molécula de benceno y una insaturación en la cadena madre

De manera condensada, se puede decir que el proceso por el cual es producido el

poli(cloruro de vinilo) determina su desempeño final, se ha demostrado que la polimerización

por radicales libres es capaz de producir defectos estructurales que inician y/o catalizan la

degradación, esta inicia en sitios lábilies o cloros lábiles, los que una vez liberados inician la

formación de polienos mediante el fenómeno zipper, (esto imparte un color amarillo al

material) para luego romper algunas cadenas y entrecruzar otras y finalmente disminuir las

propiedades fisicas del material de manera drástica.

11.3 CATALIZADORES METALOCENOS

Desde el descubrimiento de la polimerización del etileno con catalizadores

TiCI4/Et2AlCl en 1953,20 seguido poco tiempo después por la polimerización estereoselectiva

del propileno2 ' la polimerización de olefinas se ha desarrollado como una industria gigantesca

que produce los polímeros comerciales mas importantes en el mercado de plásticos.

Mientras que otros sistemas catalíticos se limitan a producir sólo unos pocos tipos de

poliolefinas, los catalizadores de tipo Ziegler-Natta producen una gran variedad de materiales

- sintéticos y tienen las particularidades de que son heterogéneos y de que la polimerización

producida tiene lugar en los bordes de éste. Consecuentemente hay muchos tipos diferentes de

sitios activos y el polímero resultante tiene una distribución de pesos moleculares ancha

13

Antecedentes

Mw/Mn=5-l0, además de que la estereorregularidad del polímero también se ve afectada

debido a que éstos sitios no son completamente estereospecíficos y algunos son mas

accesibles que otros. Sin duda alguna los catalizadores Ziegler-Natta han sido uno de los

desarrollos mas importantes en la industria de las olefinas, pero el verdadero acontecimiento

- que permitirá consolidar la industria de las poliolefinas y la comercialización de nuevos

polímeros se ha estado dado en las ultimas décadas con el desarrollo de los catalizadores del

tipo metalocenos, que contienen esencialmente un sitio catalítico activo único —generalmente

un metal de transición-, que puede ser optimizado para producir horno y copolímeros

extraordinariamente uniformes y con una alta estereorregularidad. La microestructura del

- polímero, el peso molecular, distribución de ramificación, los grupos terminales y la

morfología pueden ser controladas con una gran precisión mediante la variación de la

estructura del metaloceno y con las condiciones de reacción2224, además de lo anteriormente

mencionado dichos catalizadores son capaces de homopolimerizar y copolimerizar olefinas

cíclicas, realizar ciclopolimerización de dienos, e incluso permiten obtener poliolefinas

funcionalizadas que ensanchan por mucho la gama y versatilidad de materiales olefinicos

técnicamente factibles. El hecho de que estos catalizadores permitan obtener polímeros

altamente estereorregulares los ubican como una de las alternativas mas viables para obtener

polímeros que nunca antes se han podido obtener y que pueden tener interés académico e

industrial, por ejemplo, la obtención de PVC estereorregular esta llamando fuertemente la

atención a un grupo de industriales,25 y en principio puede ser obtenido por esta nueva

tecnología.

Los compuestos organometálicos denominados metalocenos ó compuestos sándwich

están constituídos de un metal de transición y ligantes planos como ciclopenteno, indeno ó

fluoreno, entre otros. El primer compuesto de este tipo que fue sintetizado fue el ferroceno

(Figura 17).

Los anillos ciclopentadienilos son completamente paralelos y el compuesto

organometálico posee 18 electrones, lo que significa que es un compuesto con cierta

estabilidad, para los metalocenos del grupo IV (Ti, Zr y HO los ligantes no son paralelos y

además presentan dos sustituyentes más que puede ser un halógeno, alifático ó metóxido entre

otros. Estos compuestos poseen en su estructura 16 electrones, violando la regla de la

14

Antecedentes

estabilidad basada en 18 electrones, haciéndolos especies reactivas, razón por la cual se

emplean en la polimerización por coordinación.

X \

Fe Zr

/ xx

Figura 17. Algunos catalizadores metalocenos

El término metaloceno se ha ido ampliando con el paso del tiempo y el desarrollo de

las investigaciones, hay compuestos que tienen un ligante plano y tres sustituyentes,

denominados catalizadores medio sándwich, también han sido reconocidos como catalizadores

metalocenos de sitio único, en la presente tesis el sistema catalítico se denomina también

catalizador metaloceno, en la Figura 18 se pueden ver varias estructuras de éstos catalizadores.

Árbol familiar de catalizadores de sitio simple

CK / ct'

Dos anillos

Zirconoceno

197t)

Un anillo

Sin anillos

1.

,--' ligantes halogenados

Sin puente iiTT k __/Sistemas Bis-Ind \»qantes no halogenados

Enlazado por Región principal

carbono estereoespecffica o las poliolefinas

Enlado por

/ \silc!ofl ( . / ¡

Con / Enlazadopor puente

1/ í3is-!n1. carbono Enlazado por c .

\Ilcio ti

Cpind.

.9 \_.pFhtrc a ¡I, .

Alquilico Sin puente

\ No sIgnifico Con puente

Enlazados

'iM. No alquílico

S,urC tInR Cuick. Me U(k'efl( 6: Iknilticr

Figura 18. Árbol familiar de catalizadores metalocenos de sitio único

15

Antecedentes

Catalizadores metalocenos y sus aspectos mecanísticos.

e La polimerización por coordinación de diferentes monómeros se realiza con un sistema

catalítico formado por un compuesto organometálico y un activador tal como metilalumoxano

(MAO) que es necesario en grandes cantidades, esto para lograr una actividad catalítica alta en

el sistema. Esta necesidad, sin quererlo abrió otra importante área de innovación que es la

búsqueda de nuevos y mejores activadores, que condujo a los activadores débilmente

coordinantes, siendo el mas común el tris pentafluorofenilboro [B(C6F5)3], ambos co-

catalizadores se ilustran en la Figura 19 (la estructura del MAO es una de tantas propuestas):

H3C ,CH3 Al-0—Al-0—Al

O—Al—O—Al—O /

H 3 C CH3

F F2 yF

F FF

FB F

FF FF F F

Figura 19. Co-catalizadores utilizados en catálisis con metalocenos

El MAO, sintetizado por hidrólisis controlada de trimeltilaluminio, es una sustancia

oligomérica vítrea de peso molecular entre 900-1200 g/mol y con composición aproximada

[AlOMe] que incluye26 compuestos lineales, cíclicos y entrecruzados y algunos grupos finales

0A1Me2. El papel del MAO en el proceso de polimerización es generar la especie

catalíticamente activa del tipo metaloceno [Cp2MR]. El contacto con un metaloceno como

Cp2ZrCl2 (Cp= ciclopentadienilo) forma el compuesto monometilado y el exceso de MAO

conduce a especies dialquiladas.27 Puesto que el MAO tiene centros de gran acidez de Lewis,

el complejo puede captar un anión metílico del metaloceno, formándose un anión y un catión

metaloceno.28 El proceso completo se ilustra en la Figura 20, tanto para el MAO como para el

trispentafluorofenilboro:

Ifi

Antecedentes

CH3 ,CH3 x

M + M\ + Al1 —

O n/x

xx e \/

X= CI, OR, R M AI_O 4n

R= grupo alquilo

,R ® M + B(C5F5)3 M0 + [RB(C6F5)3 ]

Figura 20. Mecanismo de formación de la especia activa

El MAO es el activador mas ampliamente usado en los sistemas de catalizadores

metalocenos, incluyendo procesos industriales a gran escala. Otros aniones que muestran una

coordinación débil, como los boratos, son utilizados cada vez más,29 y tienen la gran ventaja

de que la relación de borato a metaloceno es alrededor de 1:1 y no de 103-104 a 1 como es el

caso del MAO para sistemas homogéneos. La actividad catalítica se incrementa con el

aumento de la relación MAO/Catalizador (M/C), y generalmente se requieren relaciones

mayores a 500 para una actividad aceptable. Otras funciones del MAO son estabilizar la

especie catiónica y purificar el sistema de impurezas y humedad.

Los pesos moleculares de las poliolefinas producidas con catalizadores homogéneos

oscila entre iü y 106 g/mol, dependiendo de las condiciones de reacción y el sistema

catalítico, una disminución en la relación M/C y un incremento en la temperatura conduce a

una disminución en los pesos moleculares y en la estereorregularidad para el caso de

catalizadores esteroespecíficos.

La mayoría de los estudios en cuanto a la estereorregularidad de los catalizadores

metalocenos se han centrado en el polipropileno y el poliestireno, la característica principal

17

Antecedentes

que poseen estos catalizadores es la habilidad para controlar la estructura del polímero y

propiedades por variación de la estructura del catalizador, en la Figura 21 se presentan algunos

ejemplos de catalizadores utilizados en la polimerización de propileno y estireno, y la

estereorregularidad obtenida en base al catalizador.

O R'° R OR

h Ph Ph Ph P h

Poliestireno sindiotáctico

ZrX2

Polipropileno atáctico

Polipropileno isotáctico

Polipropileno sindiotáctico

Polipropileno hemiisotáctico

Figura 21. Catalizadores metalocenos y sus productos estereorregulares

Antecedentes

Polipropileno en estereobloque

Polipropileno en estereobloque iso-atáctico

Figura 21. Continuación. Catalizadores metalocenos y sus productos estereorregulares

El poliestireno sindiotáctico (sPS) es otro polímero que se ha producido con

catalizadores metalocenos de titanio de fórmula general LTiX3, donde L puede ser un ligante

ciclopentadienilo31, Indenilo32 y X puede ser cloro o metilo, entre otros.30 Los sistemas

catalíticos son activados con MAO o B(C6F5)3, el sPS es producido industrialmente en las

compañías Idemitsu Petrochemical (Japón) y Dow Chemical (EUA). En la tabla 1 se presentan

algunos datos de la síntesis de sPS proporcionados por Dow Chemical33.

Tabla 1. Efecto del ligante ciclopentadienilo y grupos X sobre algunas propiedades del sPS

Catalizador Actividad (Kg sPSIg Ti h) % Conversión Tm (°C) Mw

CpTi(OMe)3 10 20 265 70,000

Cp*Ti(OMe)3 200 55 270 550,000

Cp*TiC13 260 25 269 530,000

CpTiC13 8.6 15 262 100,000

Cp*Ti(OtBu)3 80 6 270 540,000

Cp*Ti(OiPr)3 150 55 271 450,000

Cp'=pentametilciclopentadenilo, activador MAO r

19

Antecedentes

En esta tabla se puede observar que el ligante Cp* presenta las mejores actividades y los

pesos moleculares mas grandes, también se puede mencionar que aunque la mayor actividad

se obtiene cuando el sustituyente X es cloro, una evaluación mas detallada indicaría que los

mejores sustituyentes X son isopropóxido y metóxido debido a que tiene actividades altas y

mayor porciento de conversión.

Por último, se debe mencionar que la polimerización con catalizadores metalocenos

permite obtener polímeros prácticamente sin ramificaciones y estructuras bien definidas

cabeza-cola. Los arreglos cabeza-cabeza, (inserción 2-1 del monómero al enlace metal-

alquilo) dependen de la temperatura de polimerización y del catalizador empleado. Por

ejemplo, utilizando el complejo Me2Si(Ind)2ZrCl2/MAO la inserción 2-1 ocurre en 0.6% a una

temperatura de 400C.34

11.4 OTROS MÉTODOS DE POL[MERIZACIÓN DE CLORURO DE VINILO

Polimerización por acomplejamiento en canal de urea: en 1960 se polimerizó

cloruro de vinilo y otros monómeros mediante su acomplej amiento en un canal de urea por

varios días y a -78°C. El complejo monómero-urea formado tuvo una apariencia algodonosa y

de color blanco, que después fue irradiado (no se menciona la cantidad o tipo de irradiación)

para efectuar la reacción de polimerización, el material obtenido fue insoluble en haluros

alifáticos y aromáticos, disolventes hidrocarbonados, cetonas, ésteres, sulfonas, sulfóxidos y

amidas y la caracterización se realizó solamente por espectroscopia infrarroja y por rayos X de

círculos concéntricos. Esta línea de investigación fue retomada 39 años después,36 con la

síntesis de PVC a partir de la misma metodología reportada mas un clatrato adicionado a la.

urea (no se indica cuál), desgraciadamente los resultados reportados no arrojan mucha luz

sobre el proceso ni sobre el material obtenido. Además del análisis por espectroscopía

infrarroja, la temperatura de transición vítrea denota ser casi la misma que la obtenida de un

material comercial analizado mientras que un análisis de su comportamiento degradativo

muestra que el polímero obtenido tiene una menor resistencia a la degradación que dicha

muestra comercial.

20

Antecedentes

Polimerización con catalizadores Ziegler-Natta: en 1964 37 se reportó la polimerización de

cloruro de vinilo con un catalizador de Ziegler sin agentes acomplejantes; compuesto de tetra

n-butoxititanio [Ti(O-nBu)4] como el metal de transición y dietilcioroaluminio o

dicloroetilaluminio [A1C1(C2H5)2 o A1C12(C2H5)] como co-catalizador ó activador. Las

polimerizaciones se hicieron en n-hexano a 30°C por 20 horas, la adición de tetrahidrofurano o

trietilarnina aumentó el rendimiento. Se propuso un mecanismo de coordinación para la

reacción de polimerización, dado que un análisis de copolimerización dio como resultado

relaciones de reactividad diferentes a las reportadas para la polimerización radicálica.

Pocos años después38 se continuó esta línea de investigación utilizando los sistemas

catalíticos VC13/Al(iBu)3/THF, VOCI3/Al(iBu)3/THF, VC13/Zn(iPr)2/THF y

VOC13/Zn(iPr)2/THF a 30°C y 48 horas de reacción, encontrando que solo los dos primeros

produjeron polímero, mientras que los últimos produjeron un aceite, siendo el segundo el que

tuvo una mayor conversión. Al poder realizar copolimerizaciones con acetato de vinilo y

metacrilato de metilo y analizar los resultados, así como evidencia adicional citada, se

concluye que el mecanismo mediante el cual se produjeron los polímeros no es de naturaleza

radicálica. Por otra parte, el material obtenido tuvo una temperatura de descomposición más

alta que el comercial y con estructuras más estables que éste, aunque esta conclusión es

alcanzada a través de análisis por espectroscopía infrarroja, que se sabe ahora no es muy

efectiva para medir conformaciones en el PVC.

Polimerización con éteres de magnesio: Esta reacción se llevó a cabo con los eteratos di-

tert-butilmagnesio y terbutil-tert-pentilmagnesio (Figura 22) en un reactor de acero de 0.5

litros, con isooctano como disolvente.39

Mg

Mg—x

Figura 22. Éteres de magnesio utilizados como iniciadores

* El polímero obtenido presentó grupos finales de cadena inusuales por una ruta que se declara

no radicálica, además de insaturaciones y otros grupos terminales de cadena que no se habían

21

Antecedentes

observado en el proceso radicálico, en las Figuras 23 y 24 se presentan los espectros de RMN

de protón obtenidos y la asignación de los defectos estructurales; las letras en las Figuras

indican el grupo que corresponde a la señal, el cual se indica al pie de la figura, en éste el

átomo resnonsable se encuentra marr.acln en neorn

* **

- f

___

ppg; 2.5 2.Q

Figura 23. Espectro parcial de PVC iniciado con t-Bu-t-PeMg: a, CH3CH2C(CH3)2CH2CHCI-; b,

(CH3)3CCH2CHCI-; c, CH3CH2C(CH3)2CH2CHCI-; d, CH3CH2C(CH3)2CH2CHCI-; e y f, protones de

ciclorooano: * cadena orincioal -CH-: . disolvente39

f f g jhí. 1 h

C

Ç)pm 5.5 5,0 4,5 4.0 3.5

Figura 24. Espectro parcial de PVC iniciado con (t-Bu)2Mg: b and b', cis- y trans-CH=CHCH2CI

respectivamente; c, -CHCICH2CI; d, ramificación -CH2CI; e, -CH2CH2CI; f, -CHCICH=CH2; g, trans-

CH2CH=CHC1-12-; h, trans-CH=CHC(CH3)3; ¡, -CHCICHCH2; , cadena principal -CHCI-; ,

disolvente.39

22

Antecedentes

Son evidentes la presencia de dobles enlaces y de finales ramificados de cadena, además de

ciclopropano, todos estos grupos formados debido a la química de organomagnesio, de la cual

se ve en la Figura 25 una propuesta hecha en la citada publicación:

CI MgX

- MgXCI

Figura 25. Propuesta de formación de ciclopropano durante la polimerización

Si bien esta polimerización no representa una ventaja sobre la ruta convencional de obtención

de PVC, si es una método alterno, que permite ahondar más en la síntesis química del PVC y

al estudio de defectos estructurales que únicamente pueden ser formados empleando

compuestos del tipo organomagnesio.

Polimerización radicálica viviente: Recientemente en dos artículos40'4' se reportó el

descubrimiento de un método para la polimerización radicálica viviente del cloruro de vinilo,

con cobre y tris(2-aminoetil)amina y poli(etilenimina) como ligante y emulsificante

respectivamente, (Figura 26) a temperatura ambiente y en un sistema de dos fases conteniendo

agua y tetrahidrofurano (THF). El Cu(0) y el Cu(II)X2(ligante) requeridos para la

polimerización son generados por la desproporcionación del Cu(I) en H20. Esta es favorecida

por ligantes que forman complejos mas fuertes con las especies de Cu(II) respecto a las de

Cu(I). De esta manera la especie inactiva Cu(I) es consumida espontáneamente y la especie

catalíticamente activa Cu(0) es producida continuamente. La condición de polimerización

viviente fue comprobada mediante la reiniciación de la reacción en una muestra de polímero al

15% de conversión.

El poli(cloruro de vinilo) obtenido en agua a 25°C se reporta libre de defectos

estructurales, contiene dos finales de cadena activos —CHC1I y tiene una sindiotacticidad más

alta que el obtenido por polimerización por radicales libres a la misma temperatura. Sin

embargo no se reportan propiedades térmicas y de resistencia a la degradación. En la Figura

26 se puede observar una versión simple del mecanismo sugerido para ésta polimerización

reportada.

23

Antecedentes

Una nota final importante acerca de estas comunicaciones, es que forman parte de los

esfuerzos hechos por el grupo EPIC (Edison Polymer Innovation Corporation) que desde hace

pocos años busca mejorar las propiedades del PVC a través de diversas líneas de

investigación.42

¿ 2 Cu + L Cu

o + Cu IIL L = tris(2-aminoetil)amjna

6 poU(etilenimina)

CHI 3 + Cu0 Cu 1 + CHI2 X=I,CI

CHI2 +fl I2CH dH

Cl Cl Cl

I2CH

H + Cu 11 LX 2 Cl Cl

1

m

ICH

CI

T CI

lx 12CH

íT + Cu' Cl

L Jn

CI CI 1 CI - - m-1

Cl J ICI ) T[I

m-1

Figura 26. Simpkficación del mecanismo sugerido para la polimerización radicálica viviente de cloruro

de vinilo en agua/THF catalizada por Cu°ItrenIPEI iniciada con CHI3

Polimerización aniónica: Para este proceso se han reportado iniciadores del tipo alquilitio, ya

sea en forma lineal (n-butilitio), o ramificado (sec y ter-butil). Esta reacción fue reportada

primero por Jisova y Kolinsky43 en la década de los 70's, como una reacción de

polimerización, sin entrar en detalles de caracterización del producto. Endo y

24

Antecedentes

colaboradores44'45 han retomado esta línea y recientemente publicaron algunos resultados

interesantes, que dan a conocer que el terbutilitio tiene una baja eficiencia de polimerización,

debido en parte a la temperatura de reacción (-3 0°C) pero principalmente a que los alquil-litios

son conocidos como buenos agentes de metalación de cloruro de vinilo, por lo tanto se

consume una parte del iniciador y monómero en este proceso, otra parte produce la

polimerización, se propone que la reacción que ocurre es la ilustrada en la Figura 27:

CH2=CH RLi CH2=C—Li + RH

CI CI

+2 RLi

CLiCLi + LiCI + 2 RH Figura 27. Mecanismo de polimerización supuesto entre alquilitios y cloruro de vinilo

La polimerización de cloruro de vinilo en n-hexano da como resultado distribuciones de pesos

moleculares muy variadas, pero si la reacción se efectúa en dicloruro de metileno (C11202)

esta distribución de pesos moleculares tiene una menor variación. Este comportamiento se

atribuye a la homogeneidad del sistema, ya que el PVC es más soluble en CH2Cl2 que en

hexano. Un análisis elemental del material obtenido muestra cantidades de carbono e

hidrógeno muy semejantes a las calculadas, pero un posterior espectro obtenido por RMN de

protón da a conocer el grupo alquilo 2,2-dimetilsustituido (el t-butilo que inició la cadena) a -

0.95 ppm y un grupo cloroetílico (supuesto como el final de la cadena) a - 3.4 ppm. Ambos

grupos fueron confirmados al utilizar el mismo análisis del PVC reducido a polietileno

mediante la reacción del primero con Bu3SnH e AIBN.46

Se reportan también comparaciones en el efecto estérico de la cadena, el ter-butilitio

exhibe la más alta actividad para la polimerización de VC, mientras que el n-butilitio tiene una

actividad menor, y el sec-butilitio la más baja actividad de los tres, aunque la razón de este

comportamiento no está clara aún.

Rogestedt y Hjertberg47 publicaron el análisis por RMN de 13C del PVC obtenido por

polimerización de cloruro de vinilo con n-butilitio en heptano y posteriormente reducido a

111

Antecedentes

polietileno, tal y como lo hacen Endo y colaboradores.45 Sin embargo, los primeros realizan un

análisis detallado del producto y declaran que, además de estar presente el grupo tert-butilo al

inicio de cadena, existen otros, como metilos, butilos y ramificaciones de cadena larga, este

tipo de ramificaciones no fueron señaladas en la investigación de Endo y colaboradores.45

Polimerizaciones con compuestos que contienen metales de transición: Este tipo de

polimerización ha sido explorada con creciente interés en la última década y se analizarán las

investigaciones más importantes que han sido publicadas.

Fotopoljmerjzacjón de cloruro de vinilo utilizando catalizadores metalocenos. Nagy y

colaboradores48 protegieron en su patente estadunidense un procedimiento general que

reclama los derechos de la polimerización del cloruro de vinilo mediante la irradiación del

sistema de reacción con luz ultravioleta (al menos 1W por 100 ml de volumen), manejando un

catalizador metaloceno activado con un cocatalizador de aluminio (metilaluminoxano), que se

encuentra en una relación de 1 a 2000 con el catalizador. El catalizador metaloceno es del tipo

general LML'X, donde M es Zirconio o Titanio y X es un halógeno, alcano, oxialcano,

oxiarilo o grupo amino con o sin substituyentes. L y L' son ligantes como ciclopentadienilo,

borabenzeno, azoborolinilo y pirrolil y fosfolil. En todos los casos se incluye crecimiento del

ligante con sustituyentes y adición de puenteo entre ellos. El plástico obtenido se declara como

de calidad superior debido a un nivel menor de instauraciones con respecto al comercial, a la

sustitución de cloros en la cadena principal por grupos alquilos, transferidos del cocatalizador

al macroradical creciente. Desafortunadamente el PVC es obtenido como un polvo que

presenta un color amarillo y en otros casos café, indicando inequívocamente la presencia de

defectos estructurales. Es importante señalar que en la patente se afirma que no existe reacción

alguna en ausencia de luz ultravioleta, lo que sugiere que el mecanismo de polimerización no

es de coordinación, sino que muy seguramente es de naturaleza radicálica.

Polimerización de cloruro de vinilo utilizando el catalizador metaloceno rac(1,2-

bisindeniletileno)Zr(CH3J2/MAQ ó fiQ6EJ3: El primer estudio que emplea catalizadores

metalocenos fue realizado por Matsukawa y colaboradores;49 donde los autores de la patente

reclamaron los derechos de la polimerización de cloruro de vinilo con catalizadores

metalocenos activados con metilaluminoxano (MAO) o trispentafluorofenilboro [13(C6F6)3].

26

Antecedentes

La importancia central de ésta radica en que reclama los derechos del sistema de reacción que

produce poli(cloruro de vinilo) con un alto contenido de estructuras sindiotácticas (s-PVC), el

sistema de catálisis que lo hace posible se muestra en la Figura 28:

¡ CH3

Zr +

CH3

\ / íII_o i n

Figura 28. Sistema catalítico capaz de producir s-PVC según la patente japonesa 08208736

La obtención del polímero con dicha arquitectura molecular y su posterior análisis resolverían

muchas interrogantes acerca de su baja estabilidad del polímero y el papel de la tacticidad en

la degradación. Sin embargo, el proceso de polimerización ha resultado ser totalmente falso,

Jordan y su grupo de trabajo50'5' realizaron un estudio minucioso del sistema catalítico

mencionado, de la inserción del monómero y del producto, determinando que el cloruro de

vinilo y el catalizador de zirconio intercambian un átomo de cloro por un metilo, formando así

propileno, que es rápidamente polimerizado a oligopropileno atáctico; pero si el sistema

rac( 1 ,2-bisindeniletileno)Zr(CH3)2/MAO contiene trazas de oxígeno produce entonces PVC a

través de un mecanismo iniciado por radicales generados por la autoxidación de las especies

Zr-R y Al-R.

1

13

27

Antecedentes

Polimerización de cloruro de vinilo utilizando el catalizador metaloceno Cp*TiX?/M40:

Endo y Saitoh han publicado, además de la polimerización aniónica de este monómero, su

polimerización con Cp*TiX3 activado con MAO,44'52'53 donde X = Ci, OCH3, OPh ó 0C4H9 y

Cp* = pentameticiclopentadienl [(CH3)5C5], sistema catalítico visible en la Figura 29.

Los resultados no dejan de ser interesantes, la relación óptima de co-

catalizador/catalizador (MAO/Cp*TiCl3) es de 10, comportamiento que se desvía de lo

comúnmente observado en este catalizador para la polimerización de estireno. Estos sistemas

requieren generalmente una relación alta (hasta de 8000/1) de metilalumoxano para una

activación correcta.54 Se reporta que un incremento en la polaridad del disolvente —de tolueno

a dicloruro de metileno- causa un aumento en el rendimiento, asimismo, el cambio de

sustituyente de cloro a metóxido también origina un aumento en dicho rendimiento. Esto

sugiere que la especie activa se encuentra como par jónico en contacto en tolueno y como

especies separadas en CH202.

Me

Me

TIIIsbIT Me

Me Me xçj --x

CH3

+ 41Al_n

_0]

Figura 29. Sistema catalítico general utilizado por Endo y Saitoh

La temperatura de reacción no afecta la distribución de pesos moleculares cuando se

usa el sistema de reacción Cp*Ti(OCH3)3/MAO, debido a que no varía en gran medida, sin

embargo sí modifica el rendimiento, que se muestra como una curva de gauss con el máximo

ubicado a 20°C y los dos extremos a O y 40°C, en donde se disminuye la conversión a —5 y

'--15 % respectivamente(en teoría este comportamiento no se modifica mucho si el sustituyente

X es diferente).

El cambio de sustituyente altera el rendimiento y el peso molecular obtenido, siendo el

butóxido el que origina los valores mas altos, seguido por el metóxido, al cual le sigue el

fenóxido y por último el cloro, con el cual se obtiene muy poco polímero, este orden hace

1

suponer que parece estar relacionado con la habilidad para donar electrones del sustituyente

Antecedentes

(efecto inductivo). Por otra parte, la distribución de pesos moleculares no tuvo variaciones

importantes, lo que hace creer que la catálisis es de sitio único sin importar el sustituyente.

La tacticidad de los polímeros obtenidos fué ligeramente diferente a la del comercial,

pero no cambió de manera importante al modificar el disolvente de reacción o el sustituyente

del catalizador, esto significa que la especie activa en la polimerización no presentó mucha

estereoselectividad. Caso diferente se ha observado en la polimerización de estireno, en la cual

los catalizadores medio sándwich producen poliestireno altamente sindiotáctico, la diferencia

es atribuible a la estructura del monómero, el anillo aromático de la última unidad

monomérica insertada se coordina al átomo de titanio regulando la entrada del siguiente

monómero.

El análisis de las cadenas hidrocarbonadas, obtenidas luego de reducir el PVC a

- polietileno, arroja la conclusión de que el polímero está compuesto sólo de unidades regulares

—CH2-CHC1-, sin ramificaciones, sin embargo, un análisis minucioso por RMN de protón

indica la presencia de instauraciones aisladas para los polímeros obtenidos con los sistemas

Cp*Ti(OCH3)3IMAO y Cp*TiC13/MAO, para este último se reporta además metilación de la

cadena principal.

Por último, se analizó la presencia de radicales libres en el medio de reacción,

mediante la adición estequiométrica de un inhibidor (TEMPO, 2,2,6,6-tetrametilpieridinil-1-

oxil ó 2,6-diterbutilcatecol), los resultados indicaron que no hubo inhibición de la

polimerización, aunque si hubo disminución del rendimiento.

Casi paralelo a esta investigación, Stockland,5' del grupo de trabajo de Jordan, repitió

los experimentos mas importantes mencionados arriba, y obtuvo conclusiones aún mas

interesantes. Encontró que la polimerización del monómero con Cp*Ti(OCH3)3/MAO produce

PVC con defectos producidos por polimerización radicálica, mientras que el polímero

obtenido con Cp*TiC13IMAO no los presenta. La metilación de cadena se da en ambos

polímeros, sin embargo el último tiene un mayor grado de metilación. Además de esto, se

observa que la polimerización de cloruro de vinilo es totalmente inhibida en presencia de un

exceso de benzoquinona o 4-terbutilcatecol. Estos estudios llevan a los autores a proponer un

mecanismo de polimerización radicálica de cloruro de vinilo, aunque se declara que el origen

de los radicales es desconocido.

401

/Ar M=Fe,Co c

\ Ph Ni / PPh3

/Cl

—M

r

CH3

13

TPFFB = Ar

Antecedentes

Polimerización de cloruro de vinilo utilizando catalizadores metalocenos basados en metales

de transición de alta configuración electrónica: Foley y colaboradores,55 publicaron la

inserción de cloruro de vinilo y su posible polimerización sobre varios catalizadores basados

en paladio, fierro, cobalto y níquel, que se observan en la Figura 30.

A

M/ 'ClCD2CI +

TPFFB

Ar B

- \ CH Pd

N/cH3

TPFFB

1

Figura 30. Sistemas catalíticos utilizados por Foley y colaboradores

30

Antecedentes

Los resultados obtenidos por estos autores no fueron positivos, la adición de cloruro de vinilo

al sistema catalítico A resulta en la consunción del catalizador y la conversión de una parte del

monómero a propileno y butenos (cis y trans 2-buteno e isobutileno). Algo semejante sucedió

con el sistema B, la adición de monómero resultó en la extinción del catalizador y formación

de propileno a partir del monómero. En el caso del sistema C, dicha adición tuvo el efecto de

transformar el monómero nuevamente en propileno, sin desaparición del catalizador original

(ya sea a base de fierro ó cobalto). Por último, el catalizador neutro a base de níquel D

consumió solo una parte del cloruro de vinilo agregado, produciendo estireno por una reacción

de intercambio entre el catalizador y el monómero, luego de esto el catalizador se descompuso

a otras especies inactivas. En todos los casos (excepto en el catalizador C) hubo un exceso de

cloruro de vinilo en el sistema de reacción.

Polimerización de cloruro de vinilo utilizando el catalizador metaloceno Eo,TiCl/MAO:

Al igual que las anteriores, esta síntesis56 de PVC se llevó a cabo utilizando MAO como co-

catalizador y los resultados se compararon con los obtenidos por los investigadores Endo y

Saitoh,45'53 el catalizador empleado se muestra en la Figura 31:

EtO OEt

e

EtO— F--Co—l—OEt

EtO 1 OEt

[CI— iCl i-_cl ]

Figura 31. Sistema catalítico utilizado por Xu y colaboradores

A diferencia de los resultados con los que se compara, este catalizador activado con baja

relación de MAO produjo curvas de elución del polímero bimodales a 0°C, un incremento en

31

Antecedentes

la temperatura de reacción provoca la desaparición del pico más pequeño, indicando la

posibilidad de dos especies activas a baja temperatura. Por otro lado, la adición de TEMPO no

redujo en gran medida el rendimiento de la reacción, por lo que se concluye que el mecanismo

de polimerización no es radicálico. El análisis del producto por RMN de 'H revela

insaturaciones en éste, las cuales se supone se producen debido a que el catalizador se

involucra en la dehidrocloración de la cadena en crecimiento, por coordinación entre los

átomos de cloro de dicha cadena y el de cobalto del catalizador. Esto supondría además una

velocidad baja de reacción debido a que la adición de monómero competiría con la

coordinación del metal con el átomo de cloro más cercano de la cadena, lo cual es correcto de

acuerdo con el seguimiento de reacción presentado.

El análisis termogravimétrico aplicado a diversos plásticos obtenidos en esta

investigación revela que el peso molecular tiene muy poca influencia sobre la estabilidad

térmica, además de que se concluye que dicho material muestra mayor estabilidad que otros

obtenidos por polimerización radicálica ó aniónica. Sin embargo los resultados obtenidos por

medio de éste análisis son bastante ambiguos como se mostrará en la segunda parte de

discusión de resultados.

Polimerización catiónica: En este caso la reacción se da en fase gaseosa gracias a la

ionización del cloruro de vinilo en un tubo pequeño,57 esta incidencia de energía provoca la

creación del catión, al que se puede añadir unidades monoméricas o puede perder ácido

clorhídrico. Dicha adición de monómero es muy pequeña, en realidad durante el monitoreo de

- los productos por la técnica de límite de co-incidencia fotoelectrón-fotoión (TPEPICO) y

tiempo de vuelo (TOF), se observan solamente cadenas de dos a siete monómeros, siendo los

- trímeros las moléculas mas abundantes. Es interesante señalar, que se observa que la

liberación de ácido clorhídrico es menor a medida que se incrementa el tamaño de cadena y

aún mas importante el hecho de que esta reacción se efectúa solo en condiciones especiales, en

las que se producen cadenas que no sobrepasan las diez unidades de monómero.

Es notorio que en la búsqueda de un poli(cloruro de vinilo) con una estructura perfecta

o cuasiperfecta a través del desarrollo de una polimerización más ordenada de cloruro de

vinilo no es suficiente investigar en los antecedentes de este monómero u otros y

extrapolarlos, tampoco es fácil y fructífera la investigación innovativa, y salta más a la vista

32

Antecedentes

que aún y cuando se obtiene este material por medio de nuevos métodos, sus propiedades

térmicas deben de estar bien definidas y sustentadas; sin embargo, es bastante seguro que estos

sondeos en la química del cloruro de vinilo, eventualmente permitirán producir PVC con

menor cantidad ó ausencia de defectos en la cadena de polímero.

33

Hipótesis y Objetivos

HIPÓTESIS

Se espera que el sistema catalítico IndTiC13/MAO sea capaz de polimerizar cloruro de

vinilo mediante un mecanismo diferente al radicálico, que redundará en un polímero con menor

cantidad de defectos estructurales. También se piensa que cambios en la estructura principal del

PVC tienen una influencia determinante en sus propiedades degradativas, por lo que se cree que

un polímero con menor cantidad de estructuras anómalas mostrará una mayor resistencia a dicho

proceso con respecto al material comercial.

OBJETIVOS

> Obtener poli(cloruro de vinilo) por polimerización con catalizadores de tipo metalocenos.

Estudiar el mecanismo de polimerización.

> Caracterizar el PVC obtenido vía catalizadores metalocenos y otro que sea de origen

comercial.

Realizar la degradación térmica de ambos materiales y encontrar las causas del

comportamiento mostrado.

e

34

Parte Experimental

V. PARTE EXPERIMENTAL

V.1 MATERIALES Y REACTIVOS

1

Materiales

Matraces de tres bocas

Manfold especial

Grasa para alto vacío

Matraces schlenk de 100,250 mly 1000 ml

Refrigerantes de serpentín

Refrigerantes de rosario

Vasos de precipitados

Columnas de destilación Vigreaux

Llaves de un paso

Codos de 90y 1200

Trampa de vacío

Bolsa con llave para pesar

Pipetas pasteur

Vasos de precipitados

Agitadores magnéticos

Filtro de vidrio sinterizado

Clips

Mantas de calentamiento

Reactivos

Pentóxido de fósforo: en polvo, marca Aldrich, 97%

Potasio metálico. en barra, marca Aldrich

Sodio metálico: en barra, marca Aldrich

Dicloruro de metileno. J.T. Baker, grado reactivo

Tetrahidrofurano: Aldrich, grado HPLC libre de inhibidores, 99.9+%

Cloruro de vinilo: gas presurizado, marca Aldrich, 99.5+%

Hidruro de sodio: polvo seco, marca Aldrich, 97%

Metanol. grado industrial

2,2-A zobis(isobutironitrilo): Pfaltz y Bauer Inc., 98%

Tetrahidrofurano: Aldrich, 99.9%

Hidruro de Litio y Aluminio. en polvo, marca Aldrich, 95%

Indeno: líquido, marca Aldrich, grado técnico, 90+%

Clorobutano: líquido, marca Aldrich, 99+%

Cloruro de trimetilsilicio: líquido, marca Aldrich, 98%

Tolueno: J.T. Baker, grado reactivo

35

Parte Experimental

Tetracloruro de titan jo: líquido, marca Aldrich, 99.9%

Eter etílico anhidro: J.T. Baker, grado reactivo

Hexanos. J.T. Baker, grado reactivo

Ácido sufú rico: J.T. Baker.

IF Etanol: grado industrial

Acetona: grado industrial

Bromuro de potasio: grado espectroscópico

Hidróxido de potasio: en hojuelas, grado industrial

Metilaluminoxano (MA O) :Aldrich, grado reactivo, 1.23 M.

PVC: PRIMEX, Producido en suspensión K =68

Cloruro de potasio: Aldrich, 99.999 % pureza

Aire: marca mfra, 79% nitrógeno 21% oxígeno

Nitrógeno. marca mfra, 99.999% de pureza

Oxígeno: marca mfra, 99.999% de pureza

V.2 PURIFICACIÓN DE REACTIVOS Y DISOLVENTES

Dicloruro de metileno: Se puso a reflujo por tres horas sobre pentóxido de fósforo, en

seguida se destiló hacia un matraz conteniendo una aleación sodio/potasio, donde se puso a

reflujo por otras tres horas, luego se destiló para su uso.

Cloruro de vinilo: Se agitó durante tres horas en hidruro de sodio en un baño de hielo

seco/acetona a -78°C.

Tetrahidrofurano: Se puso a reflujo por dos horas sobre sodio metálico/benzofenona

en condiciones anaerobias y se destiló.

Clorobutano: Este se puso a reflujo con pentóxido de fósforo en atmósfera de argón

por tres horas y enseguida se destiló de manera fraccionada en argón.

Tolueno: Se lavó con ácido sulfúrico en un embudo de separación y se neutralizó con

agua destilada, luego se mantuvo sobre cloruro de calcio por un día y se pasó a un matraz con

hidruro de litio y aluminio, donde se puso a reflujo por tres horas. Después se destiló hacia un

matraz conteniendo una aleación sodio/potasio, donde nuevamente se puso a reflujo durante el

00

Parte Experimental

mismo tiempo en atmósfera de argón; finalmente se destiló hacia otro matraz con sodio,

sujetándose a reflujo con atmósfera de argón por otras tres horas.

-

Indeno: Se le hizo doble destilación fraccionaria en atmósfera de argón a presión

atmosférica.

Hexanos: Se lavó con ácido sulfúrico en un embudo de separación y se neutralizó con

agua destilada, luego se mantuvo sobre cloruro de calcio por un día y se pasó a un matraz con

hidruro de litio y aluminio, donde se colocó a reflujo por tres horas, y se destiló a un matraz

conteniendo una aleación sodio/potasio, donde nuevamente se puso a reflujo por el mismo

tiempo en atmósfera de argón.

Eter etílico: Se destiló en un matraz con sodio metálico y se puso a reflujo por 12

horas, luego se destiló hacia un matraz con hidruro de litio y aluminio y se puso a reflujo por

12 horas. Por último, se destiló hacia otro matraz con sodio metálico y se puso a reflujo por el

mismo tiempo.

Cloruro de trimetilsilicio: Este se puso en agitación por dos horas sobre hidruro de

calcio, para finalmente destilarse.

2,2-Azobis(isobutironitrilo): Se disolvió en etanol absoluto, luego se filtró y el

filtrado se dejó cristalizar a -15°C por una noche, el precipitado se separó, se secó a vacío y

por último se guardó en un frasco ambar a -15°C.

Metilaluminoxano: Se transvasa este reactivo disuelto en tolueno a un matraz schlenk,

para luego extraer dicho disolvente (junto con especies alquilaluminio) mediante alto vacío y a

50°C por cuatro horas, luego se añade al matraz la misma cantidad extraída de tolueno

purificado.

V.3 SÍNTESIS DE CATALIZADORES

Síntesis de n-butilitio: A un matraz de tres bocas provisto de agitador magnético y

refrigerante se le adicionaron 80 ml de hexanos y 21 gramos (3 moles) de litio metálico,

posteriormente con un embudo de adición se le agregaron 82 ml de clorobutano (0.88 moles) y

se dejó en agitación por 24 horas. Una vez terminado el tiempo de reacción se filtró la mezcla

y se separaron el n-butilitio del clorobutano.

37

Parte Experimental

Titulación de n-butilitio: El n-Butillitio preparado con anterioridad se disolvió en 50 ml de

agua destilada, se le agregó fenolftaleína y se tituló con HC1 0.1 N para conocer su

concentración.

Síntesis de indenilitio: Se adicionaron 10.656 gr (0.0918 moles) de indeno por medio de una

pipeta pasteur a un matraz de 3 bocas de 500 ml con agitador magnético, embudo de adición y

refrigerante, luego se pusieron 10 ml de hexano y 46 ml de n-butilitio 1.45 M (0.0937 moles)

en el embudo de adición, esta mezcla se dejó gotear al matraz durante 10 horas con agitación

contínua y una temperatura de -40°C. Terminada la reacción la mezcla se pasó por un embudo

de filtración con vidrio sinterizado, se lavó con hexano, se secó a vacío y se obtuvo un sólido

color blanco ostión. Todas las operaciones se realizaron en atmósfera de argón.

Síntesis de trimetilindenilsilano: A un matraz bola de tres bocas se le adicionaron 60 ml de

eter etílico y 9.032 gr (0.074 moles) de indenilitio. El matraz se enfrió a -40°C y se le

adicionaron 9.4 ml (0.074 moles) de cloruro de trimetilsilicio, luego se dejó calentar hasta

temperatura ambiente y se dejó en agitación por 12 horas. Posteriormente, se realizó

destilación fraccionada a una presión de 35 mm Hg y 80°C obteniéndose un líquido aceitoso

color amarillo paja. Todas las operaciones se realizaron en atmósfera de argón. RIVÍN 'H

(THF, ó ppm, 25°C (7.5-7.15, m, 4H), (6.95, d, 1H, J3,2= 3 Hz), (6.65, d, 1H, J2,3= 3Hz), (3.55,

s, IH), (0.0 1, s, 9H)

Síntesis del tricloroindeniltitanio: Esta se realizó de acuerdo a un procedimiento reportado

en la literatura.54 Se transfirió tetracloruro de titano por medio de una jeringa a un matraz con

limadura de cobre y se destiló a presión atmosférica 10.832 gr (0.057 moles) de tetracloruro de

titanio y se pusieron en un embudo de adición conteniendo 100 ml de dicloruro de metileno.

Esta mezcla se colocó en un matraz schlenk pera de 250 ml; se adicionaron al matraz 9.744 gr

(0.0517 moles) de trimetilindenilsilano disueltos en 35 ml de CH2C12 y aplicó agitación por 12

horas. A la mezcla resultante se le extrajo una tercera parte del disolvente con vacío y se dejó

cristalizar a -15°C, formándose cristales de color rojo oscuro que fueron separados y secados

al vacío. Este proceso de síntesis, desde la síntesis del indenilitio hasta el presente se

esquematiza en la Figura 32. Todas las operaciones se realizaron en atmósfera de argón. RMN

—CH3

CH3

Parte Experimental

'H (THF, 8 ppm, 25°C (7.8 1, m, 2H), (7.55, m, 2H), (7.19, d, 2H, J1 ,2 J3,2= 12 Hz), (7.16, t,

1H, J1 ,2= J3,2= 12 Hz)).

Síntesis de¡ catalizador dicloroindeniltitanio: Este proceso fue realizado de acuerdo a la

literatura.58 El catalizador IndTiCl3 se redujo a IndTiCl2 por adición de manganeso en THF en

una relación MnlIndTiCl3 = 1.2 mol/mol, dicha adición se realizó bajo atmósfera de argón y

agitación contínua. El color de la fase líquida cambia rápidamente de púrpura a verde olivo, la

reacción se consideró finalizada después de tres horas de reacción. Para utilizar este

catalizador obtenido en la polimerización, después de decantar se extrajo la cantidad necesaria

con una jeringa, luego se extrajo el disolvente y se añadió dicloruro de metileno y MAO.

Todas las operaciones se realizaron en atmósfera de argón. TJV: El espectro UV-Vis del

complejo IndTiCl2(THF) mostró tres picos de absorción a 238, 256 y 422 nm,

desplazamientos idénticos a los reportados en la literatura.58

e

n-BuLi

»

Li e 0 UO 9 - n-Bu CISIMe3

ZIIIIIIi -CI

CI—Ti—Cl

CI

Figura 32. Proceso de síntesis de tricloroindeniltitanio

V.4 PROCEDIMIENTO DE POLIMERIZACIÓN

Todos los procesos fueron realizados utilizando un sistema de manifold que conduce

argón/vacío, este se ilustra en la Figura 33.

39

Parte Experimental

Preparación del sistema catalítico: La cantidad del catalizador seleccionado (usualmente

60 mg, 0.0222 mmoles) para la polimerización se pesó en un matraz schienk bajo atmósfera de

argón, luego se le añaden 10 ml de dicloruro de metileno con una jeringa a través de un tapón

de hule y por último se agregó la cantidad requerida del co-catalizador (usualmente 2.06 mi,

0.00253 moles mas un ligero exceso que sirve como atrapador de impurezas), y se agita

durante 5 minutos para su activación.

Transvasado del sistema catalítico: Una vez que el sistema catalítico estuvo listo se extrajo

con una jeringa con llave y se inyectó en el matraz de polimerización, el cual ya tenía 30 ml de

disolvente —dicloruro de metileno, tolueno ó hexano-, se cambió el tapón de hule por un tapón

de vidrio con rosca y se desgasificó el matraz para extraer aire y argón en exceso por medio de

pequeñas evacuaciones intermitentes.

Manómetro de mercurio

Mangueras

Medidor de (t117 Argón presión de argón

Bba de vacío

Trpe en belio de nitrógeno hqukio

Manifoid para conducir argón-vacío

Figura 33. Esquema del sistema para polimerizar cloruro de vinilo

Transvasado del monómero: El matraz de polimerización con disolvente y sistema catalítico

a vacío se introdujo en un baño de nitrógeno líquido y se conectó al manifoid para transvasar

el monómero, (5-6 g, 0.08-0.0916 moles) que ya fue pesado previamente en una bolsa de

neopreno con llave. Después de una purga del manifold, se abren ambas llaves (del matraz y

bolsa) y el monómero es congelado en el matraz. La Figura 34 ilustra los elementos necesarios

para realizar esta operación.

La polimerización a las condiciones requeridas: El matraz de reacción se extrajo del baño

de nitrógeno líquido para que alcanzara la temperatura ambiente (25°C), pero si la temperatura

40

Parte Experimental

de polimerización deseada era diferente de ésta, el matraz se introdujo en un baño de agua a

40°C, en un baño de agua con hielo, o en un refrigerador a -30°C según correspondió. Cada

polimerización se realizó por triplicado para asegurar la reproducibilidad.

Polimerización con AIBN: Para esta polimerización no fué necesario preparar un sistema

catalítico, solo se inyectó 30 ml de dicloruro de metileno, se agregó el AIBN (28 mg, 0.1772

mmoles) y 5-6 g, (0.08-0.09 16 moles) de cloruro de vinilo como se describe en la sección de

transvasado de monómero. El matraz con el sistema de reacción se coloca en un baño de agua

a 40°C para que el iniciador realizara su función.

Manguera del manif oid

O Matraz schlenk con disolvente y sistema catalftico

)

en nitrógeno líquido

Figura 34. Transvasado del monómero

Terminación de la polimerización: El monómero que quedó sin reaccionar se recupera en un

tanque extra a -195°C como se muestra en la Figura 35, posteriormente se abre el matraz al

aire y se adicionan inmediatamente —2 ml de una solución HC1/metanol al 1% para destruir el

sistema catalítico. La mezcla se yació en un exceso de metanol para precipitar el polímero, se

filtró, lavó y secó con vacío a 40°C por una hora. Para el caso del iniciador radicálico, no fue

necesario agregar la solución ácida.

Almacenado del polímero: El polímero ya seco se almacenó en frascos preferentemente de

color ámbar con tapones de hule que permitieron renovar la atmósfera de argón sin problemas.

Reprecipitación del polímero: El polímero se disolvió en la menor cantidad posible de

tetrahidrofurano, enseguida se yació la solución en metanol (diez veces mas el volumen del

disolvente) y se dejó precipitar, se decantó la mayor cantidad posible del disolvente, luego se

41

Parte Experimental

filtró, el polímero obtenido se colocó en un baño de agua a 50°C a vacío por una hora y se

dejó enfriar, posteriormente se guardó en frasco ámbar.

Matraz schlenk Monómero en agua tibia residual

Figura 35. Recuperado del monómero residual

V.5 OBTENCIÓN DE PVC POR POLIMERIZACIÓN EN LOTES Y POSTERIOR

HOMOGENEIZACIÓN

Para obtener una cantidad de polímero suficiente para su degradación posterior, se

realizaron polimerizaciones repetidas empleando 5-6 gr de cloruro de vinilo con el sistema

catalítico IndTiCl3-MAO en una relación molar co-catalizador/catalizador =10 y en CH202 a 25°C, con una duración de 24 horas. Las polimerizaciones por lotes produjeron 35 gramos de

PVC, este material ya libre de metanol se disolvió en 350 ml de tetrahidrofurano recién

destilado y libre de peróxidos y se dejó reposar por 3 horas para asegurar el mezclado total.

Esta solución se precipitó en 3.5 lts de metanol, se decantó la mayor cantidad posible de

líquido y el material se filtró a vacío y se dejó reposar por una noche; por último se secó en

una estufa de vacío a 40°C por 96 horas.

Con el objetivo de comparar el comportamiento degradativo del material obtenido se

consiguieron 45 gr de PVC comercial obtenido por suspensión y se sometió a las mismas

pruebas degradativas que al material obtenido. Por otra parte, con la idea inicial de igualar

áreas superficiales, una cantidad igual de polímero se disolvió en THF y se precipitó en

metanol, el precipitado se cortó y secó, luego fue sometido a degradación estática y dinámica,

42

Parte Experimental

pero los resultados fueron iguales a los del polímero original sin precipitar, por lo que se

suspendió el seguimiento de la degradación y se excluyeron los resultados parciales obtenidos.

V.6 DEGRADACIÓN DEL MATERIAL

Degradación estática: La liberación del ácido clorhídrico del PVC es el indicio más directo

de la degradación del material y la técnica utilizada para medirlo se conoce como evolución de

HC1, la cual nos muestra una curva de cantidad de ácido clorhídrico liberado contra tiempo de

degradación, a una temperatura constante. En nuestro caso, la evolución de ácido clorhídrico

se llevó a cabo en un dedal de vidrio en el que entraba gas precalentado en un serpentín,

ambos elementos se colocaban sumergidos en un baño de aceite a una temperatura controlada.

Dicho gas acarreador, ya sea aire o nitrógeno se burbujeó en un vaso con 100 ml de una

solución 0.1 M de KCI, en el extremo opuesto de este vaso se colocó un electrodo que

registraba los datos en un procesador, al que estaba conectado mediante un módulo

convertidor análogo-digital, esto se esquematiza en la Figura 36. El tamaño de la muestra de

polímero fue de 0.4 ± 0.001 gr

Módulo convertidor [1 Flujómetro

Gas

ElectrodJ 100 agua Muestra Baño de 0.1 M de KCI aceite

Figura 36. Sistema de degradación isotérmica utilizado

El resultado registrado en la computadora fue transformado primero de mV a su equivalente

en unidades de pH, luego a concentración de ácido y por último a milimoles de ácido

clorhídrico liberados.

a

43

Parte Experimental

Degradación dinámica: Esta se llevó a cabo mediante análisis termogravimétrico (TGA)

* utilizando un equipo equipo DuPont Instruments Thermogravimetric Analyzer 951, con

rampas de 2, 5, 10, 15 y 20'C/min y un intervalo de 30°C a 600°C, manteniendo un flujo de

50 cc/min de nitrógeno, oxígeno ó aire (en el caso de la mezcla nitrógeno/oxígeno =1/1 se

mantuvieron ambos en un flujo de 35 cc/min para obtener un flujo total de 50 cc/mm), con el

fin de conocer las temperaturas necesarias para determinar las energías de activación.

V.7 CARACTERIZACIÓN

La caracterización se llevó a cabo utilizando las siguientes técnicas:

Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN): se realizó en un equipo

JEOL Eclipse de 300 MHz, a 50°C (cuando se analizaban polímeros) para verificar la

existencia de dobles enlaces, ramificaciones y tacticidad. Se obtuvieron espectros de

'H y 13C, el disolvente utilizado fue THF-d8 libre de peróxidos.

Cromatografia de exclusión por tamaño (SEC): Se realizó en un Equipo Hewlett

Packard HPLC 1100, con tres columnas de tamaño de poro de 5 y 10 A. La medición

se realizó con el detector de índice de refracción, calibrando con estándares de

poliestireno y una fase móvil de tetrahidrofurano grado HPLC. Se obtuvieron los pesos

moleculares del polímero así como su polidispersidad.

Calorimetría de barrido diferencial (DSC): Se realizó en un equipo TA Instruments

MDSC 2920, con una rampa de 20"C/min en atmósfera de nitrógeno. Se aplicaron dos

ciclos de calentamiento, el primero para borrar la historia térmica, y el segundo para

monitorear las transiciones del polímero. Se obtuvo la temperatura de transición vítrea

del polímero.

Análisis termogravimétrico (TGA): Se realizó en un equipo DuPont Instruments

Thermogravimetric Analyzer 951, con rampas de 2, 5, 10, 15 y 20°C/mm, de 30 a 600

°C en aire, nitrógeno, oxígeno y mezcla de éstos dos últimos. Se obtuvieron los

comportamientos degradativos de los materiales y las energías de activación.

Espectrómetro Infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR): Se efectuó en un

espectrofotómetro Nicolet Magna 550, mediante el accesorio de reflectancia difusa

44

Parte Experimental

(DRIFT), en la cual el polímero se deposita en pequeños recipientes metálicos. Se

obtuvieron espectros con los grupos funcionales característicos del polímero.

Índice de Amarillamiento (Yl): Se realizó en un Espectrofotómetro ColorEye XTH

Optiview 2.Of (1999), de acuerdo a la norma ASTM 1625. Este método realiza un

seguimiento al amarillamiento del polímero conforme se degrada.

Medición de colores primarios: Dicho cálculo se hizo a través de una fotografia digital

con una resolución de 118 píxeles/cm2, a los colores plasmados se les hicieron 10

muestreos para obtener la media de los colores rojo, verde y azul, utilizando el

progama Saint de Windows ME. El método permite conocer los cambios en color con

números reales.

Medición de Luminiscencia (LS): Realizada en un Espectrómetro de Luminiscencia

Perkin-Elmer LS 50B en modo de emisión, con excitación en 280 y 360 nm y ventana

de 300 a 540 nm y 380 a 700 nn-i respectivamente, a una velocidad de 1500 nmlmin.

Las muestras fueron introducidas en forma de polvo mediante una celda con vidrio de

cuarzo. Se observaron las especies poliénicas de extensión corta y larga existentes en la

muestra.

Área superficial y porosidad: Se realizó mediante la técnica de adsorción de nitrógeno

en la superficie del material. El equipo utilizado fue un Quantachrome, el área se

obtiene del cálculo hecho por el programa de computadora Autosorb 1.19 después de

linearizar a través del modelo BET la curva adsorción-desorción obtenida en el equipo.

Medición del porcentaje de entrecruzamiento: 0.4 g de muestra se sometieron a

extracciones soxhlet con THF durante 12 horas dentro de un dedal de celulosa, la

-

diferencia entre el peso del dedal vacío y el peso del dedal con el polímero

entrecruzado que permanece atrapado después de la extracción resulta ser el porcentaje

de plástico que sufrió entrecruzamiento.

Rayos X de ángulo amplio: Estos se realizaron en un equipo Siemens 135000, con 35

kV y25 Amperes, la radiación fue de CuKa ?. 1.54, con un filtro de níquel y un ángulo

20 de 50 a 45°, teniendo una velocidad angular de barrido de 0.4°/mm. La intención

fue conocer las estructuras cristalinas presentes en el polímero.

Espectrofotómetro UV-Vis: Se usó un aparato Hewlett-Packard 8452A y una celda de

cuarzo para obtener el espectro del catalizador, en un rango de 200 a 500 nm en THF.

45

Discusión de resultados

VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La discusión de resultados se divide en dos grandes etapas: la primera es el estudio de

la polimerización del cloruro de vinilo con el sistema catalítico IndTiC13-MAO y la segunda es

el estudio de su degradación térmica comparado frente a un polímero comercial. A su vez, la

primera etapa se fracciona en capítulos en los que se muestran los resultados conforme se

modifican los factores incidentes en el sistema de reacción, para terminar con una síntesis de

los resultados obtenidos, que desembocan en la propuesta de un mecanismo de reacción

congruente; por otra parte, el estudio de la degradación térmica tiene dos subdivisiones,

degradación estática y degradación dinámica, en la primera se realiza dicho proceso de manera

isotérmica, para luego presentar las propiedades del plástico a diferentes condiciones, y en la

segunda se somete el polímero a degradación en rampa de temperatura y se discuten

propiedades térmicas importantes desde el punto de vista del estudio estándar de los

materiales. Ambas etapas se encuentran unidas por un capítulo donde se estudian las

propiedades generales del polímero obtenido y las de otro comercial libre de aditivos, con la

finalidad de compararlos antes de hacer incidir sobre ellos degradación alguna.

VI.1 PRIMERAS REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN

El presente proyecto de investigación consiste en el estudio de la polimerización de

cloruro de vinilo (CV) en solución empleando catalizadores metalocenos y está basado en dos

publicaciones recientes al momento en que se iniciaba el proyecto de investigación, la primera

fue una contribución editorial realizada por el doctor Charles E. Wilkes,42 director del

Consorcio de Tecnología de PVC de la Corporación de Innovación en Polímeros Edison

(EPIC, por su acrónimo en inglés) en la que se anunciaba un programa con 15 proyectos en

cinco áreas de investigación: Nueva arquitectura molecular, Aleaciones y mezclas de PVC,

mejoramiento de la procesabilidad, Propiedades finales y Cuestiones ambientales, además de

esto se informaba de un grupo de clase mundial que investigaba la catálisis con metalocenos

basados en metales del grupo VIII con el fin de producir PVC estereoregular. El segundo

artículo se trataba de una comunicación corta59 acerca de la polimerización en solución de

dicho monómero con el sistema catalítico Cp*Ti(OCH3)3 MAO (Cp* = il 5 pentametil

46

Discusión de resultados

ciclopentadienil {(CH3)5C5] y MAO = metilaluminoxano) utilizado en principio para producir

poliestireno sindiotáctico, reportando resultados como disolventes utilizados, conversiones

obtenidas y estructuras encontradas. Ambas divulgaciones fueron el estímulo y la pauta para

comenzar la búsqueda particular de polimerización en solución de cloruro de vinilo (CV) con

el sistema catalítico IndTiC13-MAO (md = C9H7), los resultados obtenidos durante el

desarrollo del proyecto se analizan a continuación.

El primer intento de polimerización se realizó en tolueno, a temperatura ambiente

(25°C) y con las relaciones de reactivos que se acercaron lo máximo posible a las reportadas

para la producción de poliestireno sindiotáctico,54 empleando relaciones molares

[CV}/[JndTiCl3] z 510 y [MAO]/{IndTiCl3] z 200, introduciendo de 5 a 6 gramos de

monómero y un tiempo de reacción de 48 horas. El resultado fue negativo, la conversión de

monómero a polímero no fue mayor al 3% en peso y éste se obtuvo como partículas de color

café, evidencia clara de un polímero degradado.

Dos causas se vinculan a este resultado, la primera es el alto contenido de ácido

clorhídrico (HC1) en la solución que se vierte la reacción en solución. Es sabido que para

separar uia solución polímero-disolvente, esta se vierte en un no-solvente del polímero (en

este caso metano!), el cual debe de estar como exceso en aproximadamente 10 partes sobre el

disolvente, en el caso particular de los catalizadores metalocenos, el uso del MAO como co-

catalizador requiere de un desactivante al momento de precipitar el plástico obtenido, este es

el HC1, que rompe la especie activa y transmuta el aluminio del MAO en A1203, soluble en

CH30H por ser una sal. En el caso anterior, la alta relación del activante sobre el catalizador

requiere por lo tanto una alta presencia de ácido en el no-solvente, este ácido, además de

desactivar el MAO y la especie activa, pudo interaccionar fuertemente con la cantidad mínima

de PVC que se obtuvo, logrando así degradarlo. La segunda causa de este resultado es la fuerte

presencia del co-catalizador en el sistema de reacción, que es normal para la polimerización de

estireno53'60 y que en este caso disminuye la conversión, como se verá enseguida, además de

que se genera una interacción del disolvente del MAO (tolueno) con el polímero, dicha

interacción se analizará en detalle en el capítulo VI.4.

Como se analizó en la introducción, las polimerizaciones reportadas por Endo y

Saitoh44'52'53 son realizadas con una relación molar [MAO]/[IndTiCl31 = 10, en lo que se

denomina "baja concentración de MAO", como se puede deducir, el experimento anterior se

47

Discusión de resultados

llevó a cabo siguiendo los cánones dictados por la química del catalizador con otro monómero,

y ahora este experimento sufre modificaciones esenciales en el sistema catalítico para

adaptarlo a lo publicado por estos dos investigadores. Este es el segundo intento de

polimerización, denominado como experimento A, en éste se mantuvo la relación

[CV]/[IndTiCl3] z 500 y se modificó la segunda a [MAO]/[IndTiCl3] = 10, nuevamente en

tolueno y con un tiempo de reacción de 24 horas, además la concentración de HC1 en metanol

se redujo de 10 a 1% en peso.

El resultado obtenido en el experimento A es de 8.3% de conversión en peso de

monómero a polímero, con presentación de polvo blanco, esto motivó a plantear el

experimento B bajo las mismas relaciones de reactivos, en dicloruro de metileno como

disolvente, y 40 horas de reacción, así como el experimento C, que fue realizado en hexano y

con 46 horas de reacción, en ambos casos se obtuvo nuevamente polvo blanco, con la

diferencia de que en el primer caso se obtuvo una conversión de 40% y en el tercero 6.5% en

peso. Tabla II contiene los resultados obtenidos y algunas otras propiedades moleculares.

Tabla II. Polimerización de CV en diferentes disolventes

- Disolvente Conversión

(% peso)

t. reacc.

(horas)

Mn

(g/mol)

IP

(Mw/Mn)

Tg

(°C)

Tacticidad (% triadas)

rr mr mm

A Tolueno 8.3 24 5 636 1.86 73.8 36 48.3 15.7

B C11202 40 40 17 853 2.09 86.4 36 48.6 15.4

C Hexano 6.5 46 13 142 2.39 85.8 34.7 50 15.3

25°C, [CV1/[IndTiCl31 z 500, IMAOJ//mndTiCl31 = JO

El mecanismo de polimerización de CV con IndTiCl3-MAO se presenta en la Figura

37, la activación se logra cuando el MAO extrae un átomo de cloro del catalizador para

después sustituir todos o algunos de los otros átomos de cloro; el mecanismo de

polimerización se sugiere de acuerdo al mecanismo de coordinación-inserción reportado para

el estireno, en donde se logra obtener una alta fracción sindiotáctica, este mecanismo y otras

evidencia de la estructura del polímero obtenido se analizarán en detalle en el capítulo VI.7.

MM

Me Me Me + 'Al—O—Al—O—A!

Ti Me Me

Cr,',̀ 1ci CI

X = CI ó Me

MAO e

Cl x

MAO

e ÍX\AI_ O—Al—O—Al

H>~ 'xl

Discusión de resultados

CI CI

CI - ---- -----------------

Figura ss'. mecanismo ue dULIVdlUII y jiuiuuuuiiw''-'"

El análisis de la tabla II arroja una tendencia interesante, la conversión y el peso

molecular aumentan cuando se incrementa la polaridad del disolvente. Este comportamiento

ya se encuentra reportado para el sistema Cp*Ti(OCH3)3 MAO con baja concentración de co-

49

Discusión de resultados

catalizador44 en presencia del cloruro de vinilo, argumentando que el resultado es consistente

con los obtenidos para la polimerización de estireno y propileno con catalizadores

metalocenos, en la cual se sugiere que la especie activa se comporta como un par iónico en

contacto en tolueno y como par iónico separado en dicloruro de metileno, incluso esta teoría

fue confirmada en una publicación posterior53 al mostrar una gráfica de reacciones de

polimerización bajo condiciones controladas, modificando solamente el disolvente en

fracciones de tolueno/CH2C12, ambos estados se ejemplifican en la Figura 38.

R=CIóCH3

\ e e Ti R—MAO

R R—MAO

R

ccI2 9 CH3

Especies separadas Par en contacto

Figura 38. Cambio de estado del sistema catalítico según la polaridad del disolvente

En este contexto, cabe señalar que el sistema catalítico adquiere un color violeta

obscuro, signo inequívoco de la activación apropiada, este color es similar al que se obtiene al

polimerizar estireno, por lo que es probable que sea la misma especie activa la que se obtiene

en estos experimentos.

El análisis por 'H RMN de los productos obtenidos revela similitudes de los materiales,

en la Figura 39 se puede observar el espectro de cada polímero y la asignación de las señales

características de cada uno.

Se observan claramente las señales características del poli(cloruro de vinilo), las

unidades metilénicas (-CH2-) de 2.0 a 2.5 ppm y metinos (-CHCI-) de 4.3 a 4.7 ppm, así como

del tetrahidrofurano a 1.72 y 3.58 ppm, pero no se observan señales de grupos insaturados, que

aparecen entre 4.0 y 6.0 ppm. Además de estas señales, se observan otras pequeñas entre 0.5 y

1.5 ppm, y entre 3.5 y 4.0 ppm. Estas se muestran ampliadas en la Figura 40 para mayor

comodidad.

50

Discusión de resultados

T H F -CH 2 -

- THF

('3

-0H01- ('3 D - U) c ci)

E B LA v\

PPM

riyuíd 39. u-bpc(;iiub ue fl nIVII-A Ut lub plII!ltIOS puiiriieis OULIIiUO

4.0 3.85 3.65 1.5 1 0.5

PPM

Figura 40. Detalles de los espectros de RMN de 1H de los polímeros obtenidos

51

ko

Discusión de resultados

Las señales ubicadas en el lado derecho de la Figura 40 (0.88, 1.04 y 1.28 ppm) que

aparentan ser tres tripletes, han sido designadas anteriormente como protones pertenecientes a

estructuras —CH2CH3 causadas por la introducción de metilos en la cadena principal, ya sea en

una modificación de PVC catalizada por trimetilaluminio47 (Figura 41A) o en una

polimerización catalizada por el sistema Cp*TiX3MAO (X = Cl ó CH3),5 ' (Figura 41B). En

este sentido, es necesario recordar que el MAO comercial, que contiene en su mayoría

oligómeros de [-Al(CH3)0-] tiene también una fracción de especies trimetilaluminio. En la

presente investigación, para evitar la presencia de estas especies en el polímero obtenido se

extrajo la máxima cantidad posible de trimetilaluminio al MAO junto con el disolvente (ver

parte experimental, purificación de metilaluminoxano); sin embargo, el resultado fue

semejante a los que se han publicado, por lo que se deduce que una fracción de

trimetilaluminio remanente fué capaz de producir metilación sobre la cadena de polímero.

A

* 101 071

--

1.0 0.0 rç-

Fioura 41. Comoaración de otras seña'es reDortadas

Otra publicación59 (Figura 41 C) en la que se muestra la polimerización de CV con el

sistema Cp*TiC13 MAO da a conocer un espectro de RIVÍN de 'H con una señal de metilación

ubicada en 0.9 ppm la cual es comparable a las obtenidas para —CH2- de la unidad

monomérica, donde suponen esta señal como producto de eliminación de HC1 y metilación del

52

Discusión de resultados

polímero durante la polimerización. Huelga decir que la intensidad de esta señal citada es

bastante más alta que las obtenidas en el presente trabajo. Una publicación más45 muestra

obtener señales parecidas en la polimerización de cloruro de vinilo con tert-butilitio a -30°C

(Figura 41D), tales señales son asignadas en tal caso a los metilos pertenecientes al tert-butilo.

De las señales ubicadas en el lado izquierdo de la Figura 39 (3.73 y 3.81 ppm) la

segunda (en el extremo izquierdo) es señalada como satélite del THF-d8, mientras que la

primera, con forma de triplete, ha sido recientemente designada4' como final de cadena (-

CH2C1) en una polimerización radicálica viviente de cloruro de vinilo. Esta señal, junto con

otra que se distingue a 6.18 ppm serán analizadas detenidamente en el capítulo VI.7, donde se

- intenta esclarecer el mecanismo de polimerización.

Las condiciones de polimerización del experimento B fueron las que produjeron

mejores resultados, tanto en conversión como en propiedades moleculares, y puesto que el

interés central de esta investigación es obtener poli(cloruro de vinilo) utilizando el sistema

catalítico IndTiC13-MAO bajo óptimas condiciones de reacción, para después someterlo a

degradación, se estudiaron entonces en detalle los parámetros de polimerización de este

experimento.

VI.2 SEGUIMIENTO DE LA POLIMERIZACIÓN A 25 Y 40°C

La polimerización de CV en CH2C12, a temperatura ambiente (25°C) y con las

relaciones de reactivos [CV]/[IndTiCl3} z 500 y {MAO]/[IndTiCl3] = 10 fue reálizada a

diferentes tiempos de reacción y con repeticiones para asegurar la reproducibilidad. De estas

- se obtuvo la conversión en peso y los pesos moleculares junto con la polidispersidad,

graficados en la Figura 42. Los experimentos mostrados en ésta Figura, así como los demás

donde se realiza un seguimiento fueron realizados en procesos por lotes, lo que significa que

cada medición es una reacción aislada, la cual fue desarrollada en condiciones lo mas parecido

posible a las otras que se muestran en la misma gráfica.

De acuerdo con la Figura 42, la máxima actividad del sistema catalítico se encuentra

desde que éste se pone en contacto con el monómero hasta que transcurren 12 horas (período

de inducción), sin embargo el máximo peso molecular alcanzado es obtenido desde que se

cumplen las 6 horas de reacción, lo que significa que al término de este tiempo la mayoría de

las especies activas han logrado producir una cadena de Mn z 17500 g/ mol y la "abandonan"

53

Discusión de resultados

para producir otra(s) semejantes, este proceso continúa hasta las 12 horas de reacción, que es

donde la Figura da a entender que la mayor parte de dichas especies "muere" y la producción

de plástico yio la adición de monómero es mínima.

40- - 20 -3.0

18

16 -2.7

A 14

o 12 - 2.4 -

.10 a- x —

> :220.

: -2.1

1 10. Conversión - 4 -1.8 • —A— Peso Molecular

/ —•— Índice de Polidispersidad

2 11.5

0 10 20 30 40

Tiempo (horas)

rtguw '+. '.uIIvelIuul, rou IIuJI¼..1ucn '.m,'.- ..............• -----,- - - - reacción

25°C, CH2Cl2, [CV]/[IndTiCI3] 500 y [MA 01/[IndTiCI31 = 10

Este período es llamado de decaimiento, donde la "muerte" o "desaparición" de la

especie activa formada por el sistema catalítico IndTiCl3-MAO con baja concentración de co-

catalizador, podría ser también originada por causas más fisicas que químicas, inherentes al

sistema de reacción en su totalidad: i.e. al alcanzar la cadena de polímero dicho peso

molecular, ésta se vuelve parcialmente insoluble en dicloruro de metileno, lo que ocasiona que

el sistema de reacción sea incapaz de añadir mas monómero, el cual se encuentra soluble, otra

causa podría ser que el efecto estérico de la cadena producido por el tamaño alcanzado impida

dicha adición u obligue a la especie activa a abandonar la cadena en crecimiento, aunque esto

parece improbable, dada la comprobada capacidad del sistema catalítico con el estireno. Una

54

Discusión de resultados

tercera posibilidad de causa es que la concentración de monómero en la fase líquida decaiga a

tal punto que su disponibilidad sea muy baja y por lo tanto la especie activa "muera por

inanición", esto podría ser debido a que la cantidad de monómero adicionada es constante (ver

parte experimental) y puesto que éste se consume conforme pasa el tiempo, la presión

disminuye de tal manera que su fracción en fase gaseosa es mayor que la fracción disuelta, al

punto en que la última es mínima.

La polidispersidad obtenida conforme se produce la reacción va de 1.94 a 2.1, tanto la

diferencia de estos puntos como la pendiente obtenida (0.13 y 0.0045 respectivamente) indican

que se trata de un catalizador de sitio único, muy apegado a los resultados obtenidos

tradicionalmente con los catalizadores metalocenos.

En su último artículo publicado, Endo y Saitoh53 muestran el seguimiento de la

reacción de polimerización de cloruro de vinilo con los sistemas catalíticos Cp*Ti(OCH3)3

MAO y Cp*TiC13 MAO con una relación MAO/Ti = 10, en CH2C12 y 20°C, (Figura 43A y

4313 respectivamente).

A Cp*Ti(OCH3)3 MAO 3 Cp*TiC13 MAO

-- 1

I.$I

Figura 43. Seguimiento de reacciones publicadas53

En ambos casos la conversión se incrementa de manera casi constante a medida que transcurre

el tiempo, específicamente en el primer caso la conversión alcanza un máximo de 40% en

peso, el peso molecular llega a ser de aproximadamente 30 000 g/mol y la polidispersidad se

MI

Discusión de resultados

mantiene en zI.8, esto al término de 40 horas, mientras que en el segundo caso la máxima

conversión obtenida es de 8% en peso, el peso molecular se conserva aproximadamente en

11000 g/mol y la polidispersidad se mantiene entre 1.5 y 1.7. Esto significa que de estos casos

reportados el primero es el más parecido al que se presenta en ésta investigación. En otra

investigación de estos mismos autores,52 donde se utiliza el mismo sistema catalítico reportado

en la Figura 43, se concluye que cuando el catalizador presenta grupos haluros la actividad es

muy pobre, en la presente investigación se demuestra que los catalizadores que presentan este

tipo de substituyentes pueden tener actividad aceptable si el ligante que posee es un buen

donador de electrones.

Las características de los productos de la reacción de polimerización presentados en las

dos Figuras anteriores son bastante interesantes y pensando en esto se buscó conocer el

comportamiento del sistema modificando la temperatura a 40°C (ésta es la temperatura de

ebullición del disolvente, por lo que un aumento mayor a ésta implica riesgos bastante

importantes), la gráfica de la Figura 44 representa los resultados obtenidos.

100 —.—Conversión 16 3.0

—A--- Peso Molecular A

.

. 14 Indice de Polidispersidad

80 2.7 12

U) NN NN

ci)

60 10 2.4

8

1

. A 6 2.1

o o

20 1.8

0 .2

0 • - O .1.5 0 10 20 30 40 50

Tiempo (horas)

Figura 44. Conversión, Peso molecular e indice de poiidispersidad obtenidos a traves del

tiempo de reacción

40°C, CH2Cl2, [C V]/[IndTiCI3] 500y [MA OJ/[IndTiC/ 3] = 10

56

Discusión de resultados

La conversión en peso de monómero a polímero va de 13.5% a las 2 horas a 86% al pasar 48

horas, mientras que el peso molecular promedio numeral (Mn) disminuye de z 15 000 g/mol a

las 2 horas a z 6000 g/mol al término de 48 horas, ambos cambios aparentan ser lineales. Es

evidente que este aumento en la temperatura afecta enormemente todo el sistema de reacción,

ya que ahora el sistema catalítico es activo durante todo el lapso de la reacción, sin embargo

esta actividad parece estar limitada a producir cadenas cada vez mas cortas a medida que

transcurre la polimerización, aunque también en lugar de esto puede ser que haya destrucción

del polímero formado a medida que transcurre la reacción.

Posiblemente, al inicio de la reacción, esta "alta temperatura" se favorece la actividad y

se producen las cadenas mas largas posibles, pero la incidencia continua de este factor deriva

en la aberración de la especie activa, ya sea modificando su estructura molecular, la

arquitectura o el sitio de catálisis, favoreciendo la entropía del sistema y dando resultados, si

bien altos en cantidad (conversión), pero bajos en cuanto a calidad (peso molecular) se refiere.

La polidispersidad muestra un aumento constante conforme se realiza la polimerización, este

inicia en 1.84 a las 2 horas para terminar en 2.56 al transcurrir 48 horas de polimerización. El

punto de partida es bastante similar al de la Figura 42, donde se muestra la misma propiedad

con la diferencia de que el proceso se realiza a temperatura ambiente; sin embargo, el punto

final es mucho mas alto, cambiando desde 2.1 a 25°C y 40 horas hasta 2.56 a 40°C y 48 horas

de reacción. Las tres líneas analizadas (conversión, peso molecular e índice de

polidispersidad) representan una desviación del comportamiento comúnmente observado en la

catálisis por metalocenos y una posibilidad muy alta de la presencia mayoritaria de radicales

libres en el medio de reacción. En este contexto es necesario señalar que un posterior

experimento realizado en las mismas condiciones de reactivos y a la misma temperatura en

tolueno da como resultado solo trazas de PVC.6'

El PVC obtenido a 48 horas de reacción y 40°C se comparó mediante el análisis

por RIVIN de 'H con el obtenido a 40 horas y 25°C, el resultado se observa en la Figura 45. Es

visible que las señales de metinos y metilenos permanecen iguales al aumentar la temperatura

*

de reacción, pero las señales pequeñas muestran evidentemente un crecimiento con respecto a

las de la cadena principal al modificar dicho parámetro. Un acercamiento expuesto en la

Figura 46 confirma esta observación, pero además da a conocer que de las señales ubicadas

57

Discusión de resultados

debajo de 1.5 ppm, los dos extremos desaparecen y se fortalece la señal central, aparentemente

debido a la ruptura de cadenas causada por el aumento en la temperatura.

171

('3

7 6 5 4 3 2 1 0

PPM

Figura 45. Espectros de RMN de 1H de los polímeros producidos en CH2Cl2 a 25 y 40°C

Este cambio de temperatura aplicada sobre el sistema de reacción muestra evidencias

de una actividad constante que no "muere" como sucede en la reacción a 25°C, sin embargo

esta alta actividad no se presenta ligada a un control del proceso, logrando la obtención de

productos con características indeseables, al menos para el uso final que se le da al PVC. Las

características señaladas sugieren que la polimerización de cloruro de vinilo a 40°C es

conducida principalmente por un proceso de radicales libres, dicha presencia puede ser la

causa de que a tiempos de reacción mayores a 4 horas los polímeros obtenidos presenten pesos

moleculares mas pequeños, debido al rompimiento de las cadenas de polímeros.

El comportamiento del sistema catalítico hdTiCl3/MAO observado en la

polimerización de CV es difrente al que se reporta en la polimerización de estireno,54'60

empleando altas cantidades de MAO y temperaturas de 50, 75 y 100°C en tolueno, obteniendo

4.0 3.5 3.0

1o,250Co5

Discusión de resultados

altas conversiones de poliestireno sindiotáctico (s-PS) el tiempo de polimerización es bajo -de

10 a 30 minutos-. Un incremento mayúsculo en la relación molar co-catalizador/catalizador

resultó en un incremento de la fracción sindiotáctica, así como en la reducción de los pesos

moleculares obtenidos, indicando que el MAO no solo actúa como activante, sino también

-

como agente de transferencia de cadena. Estos resultados publicados ponen en contraste que el

sistema catalítico es capaz de mostrar buen desempeño aún a una temperatura cercana al punto

de ebullición del disolvente utilizado (que en este caso es mayor a 40°C), por lo que se puede

deducir que la diferencia en resultados obtenidos entre esta investigación publicada y la

presente se puede deber a uno, o a la conjugación de tres factores que son específicamente

diferentes: el disolvente empleado, el monómero utilizado y la concentración de co-catalizador

frente al catalizador.

PPM

Figura 46. Detalle de los espectros de RMN de 1H de los polímeros producidos en CH2Cl2 a 25 y 40°C

Otra investigación que demuestra el papel que juega el disolvente en la polimerización

de estireno fue reportado con el catalizador Cp*Ti(CH3)3 activado con B(C6F5)3 o MAO, se

encontró que el monómero es convertido en su mayoría a s-PS si el solvente utilizado es

tolueno, pero si el disolvente utilizado era CH2C12 el producto era convertido a poliestireno

59

Discusión de resultados

atáctico.62 La mayor sindiotacticidad se atribuyó a la naturaleza de la especie activa, en

disolventes polares ésta existe como un par jónico separado por las interacciones del

disolvente, ocurre lo contrario cuando el disolvente es no polar. La estructura del monómero

estireno también interviene en la estereoregularidad, se ha propuesto que la última unidad

monomérica insertada se coordina al átomo de titanio, (Figura 47) controlando de ésta manera

la inserción del próximo monómero. En la polimerización de cloruro de vinilo la coordinación

entre el átomo de cloro y el de titanio podría conducir a polímeros altamente sindiotácticos, sin

embargo los resultados presentados sugieren que éste tipo de coordinación no es muy

favorecida. Estos puntos de discusión, así como otros resultados serán discutidos de manera

global en el capítulo VI.7, correspondiente al mecanismo de polimerización propuesto.

P Figura 47. Coordinación de elementos aromáticos al centro metálico

Con el conocimiento previo de que un cambio en la temperatura de reacción puede

modificar el producto final, se planeó y llevó a cabo otras polimerizaciones a cero y a -30°C,

que junto con las presentadas en éste capítulo complementan resultados atrayentes, todo lo

mencionado se presenta en el siguiente capítulo.

VI.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA POLIMERIZACIÓN

Desde hace casi 25 años3 se sabe que la temperatura de reacción en la polimerización

de cloruro de vinilo está relacionada de manera inversa a la cantidad de estructuras

sindiotácticas existentes en el polímero obtenido, esto es debido a que la polimerización por

radicales libres (proceso tradicional de obtención del PVC) carece de control sobre la entrada

del monómero que se adiciona a la cadena en crecimiento, en el caso del propileno y estireno,

este problema se solucionó hace algunos años gracias a los catalizadores Ziegler-Natta y

Discusión de resultados

metalocenos,63 pero para el cloruro de vinilo la solución no parece ser la simple extrapolación

de los monómeros anteriores debido a lo señalado en el capítulo anterior, al carácter jónico del

átomo de cloro y a la facilidad con que abandona la cadena de polímero.

Considerando estas razones se realizó un seguimiento del comportamiento del sistema

de reacción conforme se modifica la temperatura, los resultados se observan en las Figuras 48

y 49.

100- -3.0 -18

80- \ / 16

2.7 —•— Conversión - 14

—A--- Peso Molecular - 12

60. -•-- Índice de Polidispersidad c 2.4

.10

:2

O-i'i: 1 0 0

0 -1.5 -30

Temperatura (°C)

Figura 48. Conversión, ieso molecular e inaice oe roiiuispeiiuu uuLeuuuuu al

temperatura de reacción

- 48h, CH2Cl2, [CV]/[IndTiCI3] 500y [MA0]/[IndTiCI 3] = 10

La conversión en peso de monómero a polímero aumenta de una manera constante desde 0.6%

a -30°C hasta 40 % a 25°C, después de dicha temperatura esta conversión aumenta

drásticamente a 86% a 40°C como ya se había visto en los capítulos anteriores, sin embargo el

peso molecular se mantiene con cambios muy pequeños en el intervalo de z 16 700 g/mol a -

30°C a z 18 000 glmol a 25°C, para después disminuir rápidamente a Z 5 800 g/mol a 40°C,

ambos resultados dan clara evidencia de un proceso de polimerización ordenado si la

temperatura de polimerización es de 25°C o menor, que pasa a ser caótico a mayor

61

41 93

90 36

EMN

81

78

75

16

11

Discusión de resultados

temperatura. Este fenómeno puede ser atribuido a la presencia de radicales libres en el medio

de reacción, que junto con el sistema catalítico producirían PVC, este punto de discusión será

retomado nuevamente en el capítulo VI.7.

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

Temperatura de reacción (°C)

Figura 49. Temperatura de transición vítrea y tacticidad obtenida a través de la temperatura de

reacción

48h, CH2Cl2, [CV7/[IndTiCI31 500y [MA01/[IndTiCI31 = 10

En cuanto a la polidispersidad obtenida en el seguimiento de polimerización ya descrito, el

comportamiento es parecido al expuesto por la conversión de monómero a polímero, inicia en

1.88 a -30°C para tener un aumento ligero y constante hasta 2.1 a 25°C, después de esto

aumenta de manera brusca para llegar a 2.56 a 40°C, lo antenor refuerza la idea de un proceso

de polimerización controlado de 25°C a -30°C, y uno desorganizado a temperaturas mayores.

El seguimiento de reacción a través de la temperatura también ha sido estudiado por

Endo y Saitoh,53 (Figura 50) empleando el sistema Cp*Ti(OCH3)3 MAO sin embargo aunque

el peso molecular parece no cambiar mucho, la conversión en peso si tiene un desempeño

diferente al mostrado en esta investigación, con un crecimiento pequeño de -20 a 0°C y luego

intempestivo a 20°C, para terminar decreciendo a 10% de conversión en peso a 40°C. El

62

Discusión de resultados

sistema catalítico Cp*Ti(OCH3)3 MAO solo funciona de manera óptima a la temperatura

ambiente, y un aumento de esta temperatura modifica la naturaleza de dicho sistema, de tal

manera que se limita la producción de mayor material. Este resultado es inverso a lo

presentado en esta investigación, y puede ser debido a la naturaleza del cambio del ligante (de

pentameticiclopentadienil a indenilo), el último es reportado como de naturaleza más

resistente y de mayor actividad sobre el primero,54 aunque es muy poco probable que las

diferencias ya establecidas sean producto del origen de los reactivos, el manejo de las

reacciones ó los diferentes equipos utilizados.

60

50

40 4

1'! o'

Q lo >

20

to

o

Teinperature (°C)

Figura 50. Comparación del seguimiento de la reacción a través de la temperatura53

La temperatura de transición vítrea (Tg) y la tacticidad de los polímeros obtenidos en

función de la temperatura de polimerización, se presenta en la Figura 49, la Tg mantiene una

disminución constante de 3°C al cambiar de temperatura de -30°C hasta la hecha a 25°C,

para luego disminuir 9°C al elevar la temperatura de polimerización a 40°C. Por otro lado, la

fracción sindiotáctica decrece de manera regular desde -30 hasta 40°C y lo inverso sucede con

la fracción isotáctica. En total coherencia con los resultados publicados anteriormente,64 la Tg

sufre un decremento al mismo tiempo que la fracción sindiotáctica conforme aumenta la

63

Discusión de resultados

temperatura de reacción, el caso contrario es observado en la fracción isotáctica, sin embargo

el grado de isotacticidad logrado no es muy alto. Asimismo es elemental una relación lineal

entre la Tg y la fracción sindiotáctica hasta cierta temperatura de polimerización, después de la

cual esta relación se vuelve más relativa a otros factores que a la temperatura de reacción

Muchas investigaciones anteriores han apuntado directamente a obtener la fracción

sindiotáctica del PVC conforme se modifica la temperatura de reacción, sin embargo se volvió

muy común reportar dichas medidas en diadas m y r. Durante la investigación bibliográfica se

encontraron algunos artículos que publicaban estos datos, no obstante la mayoría lo hizo en

base a mediciones hechas sobre el FTIR, métodos que ya no tienen uso por haber demostrado

que son muy inestables, y pocos lo hicieron en base a mediciones hechas en RMN de 13C, que

demostró entonces y ahora ser mas fiable que el anterior, este método da a conocer de una

manera segura el contenido de triadas mm, mr y mm, así como las tetradas rrr, rmr, rrm, mrm,

mmr y mmm. A este respecto, Daniels y Collins65 publican resultados condensados de tres

autores en cuanto a la tacticidad de los polímeros que obtuvieron, estos se muestran en la

Figura 51 junto con los resultados reporiados en esta tesis.

Los valores de la abscisa de los resultados de este trabajo son diferentes debido a que

los resultados se dieron a conocer en términos de diadas, por lo que las triadas obtenidas en

esta investigación se tradujeron a diadas (sin embargo el proceso inverso es imposible). Es

evidente que los resultados obtenidos se encuentran en los puntos mas altos con respecto a los

publicados anteriormente, aunque esta diferencia solo es de 4 puntos.

En la misma publicación, Daniels y Collins,65 diseñaron varias polimerizaciones por

radicales libres utilizando agentes de transferencia de cadena y diversas temperaturas de

polimerización, construyendo una gráfica muy interesante acerca de la relación que existe

entre la temperatura de transición vítrea y el peso molecular del PVC, ésta se puede observar

en la Figura 52.

64

Discusión de resultados

temperatura de reacción, el caso contrario es observado en la fracción isotáctica, sin embargo

el grado de isotacticidad logrado no es muy alto. Asimismo es elemental una relación lineal

entre la Tg y la fracción sindiotáctica hasta cierta temperatura de polimerización, después de la

cual esta relación se vuelve más relativa a otros factores que a la temperatura de reacción

Muchas investigaciones anteriores han apuntado directamente a obtener la fracción

sindiotáctica del PVC conforme se modifica la temperatura de reacción, sin embargo se volvió

muy común reportar dichas medidas en diadas m y r. Durante la investigación bibliográfica se

encontraron algunos artículos que publicaban estos datos, no obstante la mayoría lo hizo en

base a mediciones hechas sobre el FTIR, métodos que ya no tienen uso por haber demostrado

que son muy inestables, y pocos lo hicieron en base a mediciones hechas en RMN de 13C, que

demostró entonces y ahora ser mas fiable que el anterior, este método da a conocer de una

manera segura el contenido de triadas mm, mr y mm, así como las tetradas rrr, rmr, rrm, mrm,

mmr y mmm. A este respecto, Daniels y Collins65 publican resultados condensados de tres

autores en cuanto a la tacticidad de los polímeros que obtuvieron, estos se muestran en la

Figura 51 junto con los resultados reportados en esta tesis.

Los valores de la abscisa de los resultados de este trabajo son diferentes debido a que

los resultados se dieron a conocer en términos de diadas, por lo que las triadas obtenidas en

esta investigación se tradujeron a diadas (sin embargo el proceso inverso es imposible). Es

evidente que los resultados obtenidos se encuentran en los puntos mas altos con respecto a los

publicados anteriormente, aunque esta diferencia solo es de 4 puntos.

En la misma publicación, Daniels y Collins,65 diseñaron varias polimerizaciones por

radicales libres utilizando agentes de transferencia de cadena y diversas temperaturas de

polimerización, construyendo una gráfica muy interesante acerca de la relación que existe

entre la temperatura de transición vítrea y el peso molecular del PVC, ésta se puede observar

en la Figura 52.

64

Discusión de resultados

70 —.---Talamini G. y Vidotto G. (1967)

68 —.--BoveyF.ycol(1967)

66 —Á---Cavalli L. ycol (1970)

64 Ponce (Tesis 2005)

60

58

5 56

cf) 54

52

50 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Temperatura de Polimerización (°C)

Figura 51. Tacticidad de PVC obtenida por RMN de 13C de otros experimentos y el que se presenta65

05

Tpzn 100

o 90

85

20 30

40 80 50

70

7 jI,tIII O 1.0 2.0 3.0 4.0 50

VMXlO

Figura 52. Variación de la Tg con 1/Mn para una serie de PVC's polimerizados a diversas

temperaturas65

65

Discusión de resultados

El valor inverso del peso molecular promedio en número es inversamente proporcional

a la Tg obtenida, esta relación está dominada por una recta que conforme se disminuye la

temperatura de reacción aumenta la Tg resultante. La proporcionalidad está dada por la

pendiente de la recta, que si bien en la Figura dichos valores muestran ser no siempre el

mismo, si parece tener una tendencia a un valor promedio. La relación de la Tg con la

temperatura de polimerización está claramente establecida, pero la relación de la Tg con el Mn

aún no, la transformación digital de ésta gráfica y posterior acercamiento dan a conocer la

Figura 53.

110 110

105 -15°C

1105

100

100 95

95 20°C 90

o

E- 90 o) 85

80

85 / 1 70°C 50°C 0 1 2 3 4

40°C 80

75

0 10 20 30 40 Mn xlOe4

Figura 53. Transformación digital de la Figura 5265

Se observa ahora que la Tg varía drásticamente solo en el inicio de la formación del

polimero, es decir, de Mn menor a 10 000 g!mol y después de 20 000 g/mol ésta es muy

estable, con variaciones muy pequeñas.

La conformación estereoregular ha sido objeto de polémica acerca de si tiene o no

influencia decisiva sobre la resistencia a la degradación, en este particular Starnes5 opinó en

un inicio que la estructura sindiotáctica es más resistente que la isotáctica o la heterotáctica,

sugiriendo el siguiente orden de reactividad a la degradación:

1

5:

Discusión de resultados

Isotáctica>heterotáctica>sindiotáctica

Sin embargo en una publicación reciente6 declara que tras haber revisado minuciosamente los

resultados obtenidos en variadas investigaciones acerca de la estabilidad del PVC, que

prácticamente no existe diferencia entre la estructura meso y la racemo para iniciar la

degradación, lo que significa que este punto de discusión tiene menor validez al momento de

discutir el comportamiento degradativo del material obtenido.

VI.4 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE ACTIVANTE EN LA POLIMERIZACIÓN

Como ya se había mencionado, la concentración del co-catalizador tiene un papel

decisivo en cualquier polimerización que se lleve a cabo por catálisis con metalocenos, pero

en esta investigación se ha vuelto fundamental conocer el rol que tiene dicha concentración,

debido principalmente a que se opone a las normas generales de la catálisis por coordinación

de titanocenos de medio sándwich.

En la Figura 54 se puede observar la conversión en peso y el peso molecular promedio

numeral (Mn) obtenidos en relación a la concentración de MAO sobre el catalizador

[MAO]/[IndTiCl31 =mol/mol, la máxima conversión en peso es obtenida a la relación de 10,

ésta disminuye en 10 puntos si la relación es reducida en 5 unidades; pero el aumento de dicha

relación disminuye drásticamente y de la misma manera tanto la conversión como el peso

molecular, a una relación de 100 es evidente que dichos factores no tendrán un cambio mayor

al que ya sufrieron. Por otra parte, el índice de polidispersidad varía enormemente a cada

cambio en la relación de activacion, reflejando cambios severos en las reacciones químicas

que suceden durante la polimerización; sin embargo la temperatura de transición vítrea Tg se

muestra en correlación con la conversión y el peso molecular obtenidos, disminuyendo un

poco al aumentar la relación de activación, para luego crecer hasta un punto mayor al original

establecido como polimerización óptima; esto significa que la metilación disminuye la Tg al

modificar el PVC a PP (Tg del a-PP z -1001C), pero después la fenilaciónlbencilación de la

cadena lleva el polímero a ser mas parecido al PS, el cual tiene una Tg mayor a 100°C.

Esta gráfica no deja de ser sorprendente, dado que en base al comportamiento

reportado para dicho sistema con el monómero estireno, la actividad así como la conversión y

67

Discusión de resultados

el control de la estereoregularidad llegan a un punto máximo. Estos puntos ya fueron revisados

parcialmente y se demostró que el cambio de monómero así como de disolvente modificó

parcial o totalmente la naturaleza del sistema catalítico, de tal manera que no se puede

considerar que el mecanismo por el cual se produce el s-PS sea el mismo al que se presenta en

esta investigación. Por otro lado Endo y Saitoh53 construyeron una gráfica parecida con base a

un diseño de experimentos con el sistema catalítico Cp*Ti(OCH3)3MAO a 20°C, el cual

polimerizó cloruro de vinilo en CHC12 esta se puede observar en la Figura 55.

18. 40 - 3.0 130 —u— Conv

16. 35- —A— Mn / •2.7

.1205- 14.

30 —x— Tg / *12. / / - .110

25 A \ / / 2.4

-ab \\ / ¡ 20

a) c15

/ 6. /\ / .9()

10 1.8

80 2. 5

0 o 1.5 .70 0 50 100 150 200

Relación molar MAO/lndTiCl3

Figura 54. Conversión y peso molecular obtenidos a través de la relación del sistema catalítico

24 h, CH2Cl2, 25°C

El comportamiento mostrado en la Figura 55 es bastante parecido al obtenido en la

Figura 54, lo que puede significar que está sucediendo el mismo proceso en ambos casos,

aunque para este caso los autores no llevan la discusión mas allá de la aseveración de que este

resultado se aleja de la polimerización clásica de olefinas con catalizadores metalocenos.

En nuestro estudio se analizaron por RMN de 'H cuatro de estos cinco productos

obtenidos, con la finalidad de observar como afecta la alta concentración de MAO al PVC, los

resultados se pueden ver en la Figura 56.

Discusión de resultados

60

50

40

30

20

lo

O lO IO IO IO

MAO Ti(mole rnio)

Figura 55. Comparación de la relación co-catalizador/catalizador53

CH3

U

MAO/I ndTiCl5J

-CHCI-

MAO/lndTiCI3 _ [ =10

8 7 6 5 4 3 2 1 O

ppm

Figura 56. Perfil de cambio de los espectros de H RMN del PVC obtenido de acuerdo al cambio en la

relación co-catalizador/catalizador empleada

Discusión de resultados

El espectro que se observa en la parte inferior es el correspondiente al polímero obtenido B,

(Tabla II) con una relación molar MAO/IndTiCl3 de 10, este fue analizado en el primer

capítulo, al modificar la relación co-catalizador/catalizador a 50 se observa que el polímero

obtenido conserva esencialmente la misma estructura, pero una observación detallada dió a

conocer una metilación mas pronunciada en el área de 0.5 a 1.5 ppm, al mismo tiempo que una

señal pequeña y ancha se eleva después de 7.0 ppm, evidencia probable de la introducción del

anillo aromático a la cadena principal. Cuando la relación molar MAO/IndTiCl3 aumenta a

100 provoca una fuerte metilación que incluso modifica la forma de la señal de los metilos,

mientras que la señal pequeña en 7.0 ppm aumenta su tamaño considerablemente. Una señal

nueva aparece en 2.1 ppm, su desplazamiento corresponde a un grupo metilo unido a un anillo

bencénico, las señales que aparecen al aumentar dicha relación provocan que el espectro sufra

una distorsión total, las señales que fueron apareciendo a medida que se aumentó la

concentración del MAO ahora son más importantes con respecto a las del PVC.

Resulta ahora evidente la forma en que el metilaluminoxano interacciona con el

poli(cloruro de vinilo) producido, se puede generalizar que cuando se habla de una relación

MAO/IndTiC13 = 5 no existen suficiente activación para alcanzar el desempeño óptimo (tal y

como lo sugiere la Figura 54), dicha activación óptima se logra al introducir al sistema de

reacción una relación MAO/IndTiCl3 = 10, haciendo notar que, debido a su carácter electrófilo

una parte del MAO interaccionará con el PVC Met, extrayendo átomos de cloros lábiles e

insertando metilos en lugar de aquéllos. El aumento de dicha relación a 50 da como resultado

un material con una estructura muy semej ante al anterior, ya que la metilación se sigue

sucediendo en pequeñas cantidades, pero un análisis de las Figura 54 y 56 revela que aunque

esta estructura no cambia en gran medida, la conversión en peso disminuye 20% con respecto

a la anterior relación de activación. Esta diferencia deja ver que el proceso de polimerización

se encuentra en competencia con la sustitución de cloros por metilos, lo cual se confirma al

aumentar la relación a 100 y 200 respectivamente, obteniendo una baj a conversión de un

material que dista mucho de ser PVC61 (ciertamente su aspecto fisico es de un polvo granuloso

de color amarillo paja), esta interacción indeseable entre el poli(cloruro de vinilo) y el MAO

fue mencionada anteriormente por Stames,66 quien declaró que aunque los datos no han sido

publicados, este fenómeno ya había sido observado por él mismo. Esta idea se ve apoyada por

los resultados de la temperatura de transición vítrea.

70

Discusión de resultados

Por otra parte, Jordan y colaboradores5' realizan una comprobación parecida al mezclar

cloruro de vinilo con Cp*TiC13 y MAO en una relación Al/Ti=1000 a 80°C en benceno,

obteniendo polipropileno atáctico, esto podría significar que debido a la alta presencia del

MAO el total de los cloros del poli(cloruro de vinilo) fueron intercambiados y sustituidos por

o

metilos, pero estos investigadores no lo consideran de este modo, mas bien racionalizan una

previa sustitución del cloro por el metilo del monómero, que después es rápidamente

polimerizado a polipropileno atáctico (Figura 57). Esta diferencia esencial entre el producto

obtenido en dicha investigación y la presente no se investigará debido a que no forma parte

fundamental de la investigación así como de la vía para acercarse al mecanismo de

polimerización.

MAO® MAO®

Ti Ti 3 X CI / Cl

x

X= CI ó Me Polipropileno

MAO®

Ti + x CH3

CI

MAO®

Ti- - 3

/ CH3 x

Figura 57. Posible ruta de reacción del Cp*Ti(CH3)3MAO con CV a alta relación de activación51

Todos los resultados anteriormente expuestos dan a conocer factores que favorecen la

polimerización, es por eso que se hará una aproximación a la naturaleza y al proceso por el

que se obtiene poli(cloruro de vinilo) con el sistema de reacción ya citado, con apoyo de

algunas comprobaciones ya expresadas y otros métodos que ayudarán a desechar dudas.

71

Discusión de resultados

VI.5 OTRAS PRUEBAS RESPECTO AL MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN

El objetivo primordial de esta discusión no es determinar de manera inequívoca el

mecanismo de polimerización, es necesario recordar que la determinación de mecanismo de

reacción es una tarea dificil debido a que requiere equipo de alta resolución, reactivos

marcados isotópicamente, instalaciones adecuadas para asegurar una atmósfera libre de

impurezas, entre otras cosas, de cualquier forma, no siempre los resultados son suficientes

para determinar la naturaleza del mecanismo. En este caso particular, considerando que la

producción del s-PS con el sistema catalítico Cp*Ti(CH3)3B(C6175) ha sido propuesta como de

coordinación6769 así como de naturaleza catiónica, 58, 70,71 en esta investigación se realizaron

pruebas para descartar o confirmar teorías acerca de la naturaleza del mecanismo que produce

el poli(cloruro de vinilo) con el sistema catalítico IndTiCl3 activado con MAO a baja

concentración; basándose principalmente en la determinación de la especie activa formada al

poner en contacto catalizador, co-catalizador y monómero.

Un hecho en el que coinciden los investigadores de la materia es que la adición del

MAO al catalizador (ya sea Cp*TiX3 ó IndTiX3 X=Cl ó CH3) da como resultado la formación

de especies catiónicas de Ti(IV), este proceso no es estático y la reducción del centro metálico

continúa hasta lograr estados de oxidación Ti(III) y Ti(II).24'58'69 Muchos de estos estudios

concuerdan que la formación de la especie de Ti(III) es favorecida a medida que la relación de

activación aumenta, asimismo esta especie es considerada como la responsable de la

polimerización sindiotáctica del estireno en tolueno como disolvente. La especie Ti(IV) es

capaz de polimerizar este monómero de manera atáctica, mientras que la formación de la

especie de Ti(II) se reporta como poco favorecida. Esto se ilustra en la Figura 58.

La polimerización de cloruro de vinilo que se ha discutido en los capítulos previos

empleó la relación molar óptima de MAO/IndTiCl3 = 10, esto sugiere que la especie catiónica

principal es Ti(IV), aunque su reducción a Ti(III) es inevitable y sucede en forma lenta,

entonces ambas especies coexisten y son capaces de iniciar la polimerización, sin embargo las

curvas de elución obtenidas por cromatografia de exclusión por tamaño se presentan

unimodales, lo que sugiere una especie activa solamente. Por otra parte, la velocidad de

polimerización es muy baja, sugiriendo que si la especie Ti(IV) es la responsable de la

polimerización ésta inserta el CV de manera muy lenta, esta reacción se puede realizar de dos

72

Discusión de resultados

maneras, por mecanismo catiónico o por coordinación. La primera forma (mecanismo

catiónico se puede ver en la Figura 59, de acuerdo al mecanismo propuesto para el monómero

4 estireno :70

Ti IV

Ti + Cl" Cl

cl

X= Cl ó CH3

Ti IV

CH3

n O_II

Ti i X"1x

L

'II"

Ti IV

e o-

1 1 xn

Ti III

x 0 x o

O-A,¡ 1 lin Ti

xn x Figura 58. Mecanismo probable de reducción de¡ catalizador

CH3

l41 n iz~ 0

Cl"1Cl x 11 Cl x

x_ e

® í Xin - x

Figura 59. Posible mecanismo de polimerización catiónico a baja relación de MAO

La inserción 1,2 es imposible debido a que el átomo de cloro es incapaz de soportar una carga

positiva en el carbono al cual está anclado debido a su carácter electrófilo. Por otro lado, la

inserción 2,1 del primer monómero genera una carga positiva que presenta como contra-anión

el MAO, sin embargo la inserción consecuente de otra unidad de monómero es imposible,

debido a que el carbono sobre el cual se encuentra el cloro en la unidad monomérica debe

presentar un carácter parcialmente negativo, esto es impedido nuevamente por el carácter

73

Discusión de resultados

electrófilo del átomo de cloro. Esto es apoyado por los resultados de la investigación de

Martrechand y colaboradores,57 donde se demuestra que la polimerización catiónica de cloruro

de vinilo se da por ionización en estado gasesoso produciendo oligómeros de 7 unidades

monoméricas como máximo, fuera de esta investigación no existe publicación alguna que

proponga yio demuestre polimerización catiónica del cloruro de vinilo. La polimerización de

éteres vinílicos70'7 ' da algunas evidencias experimentales de polimerización catiónica 2,1, el

polímero formado por esta vía debe necesariamente presentar un grupo terminal aldehído

CHO, originado al momento de terminar la polimerización, la extrapolación al cloruro de

vinilo se ve en la Figura 60.

H2O/

XI x

H3C OH

CI[ cIj Cl

H3C ° CI Cl

Figura 60. Posib'e terminación de cadena en mecanismo catiónico.

Los polímeros obtenidos en esta investigación no presentan el grupo terminal adehído,

que se localiza en 9.8 -10 ppm, lo que apoyado con los resultados de la investigación de

Martrechand y colaboradores,57 significa que el mecanismo de polimerización catiónico queda

descartado.

La polimerización por coordinación también tiene propuestas expresadas de manera

gráfica, una adaptación se puede ver en la Figura 61.

En este caso, el primer paso es la coordinación del monómero, que si se inserta en

forma 1,2 sufre una í3-eliminación mientras que la inserción 2,1 si es capaz de añadir más

monómero a la cadena en crecimiento, de acuerdo a Stockland y colaboradores,51 ésta última

sucede a través de un mecanismo concertado de 4 centros, la inserción del próximo monómero

se realiza siempre en el enlace metal-carbono formando polímeros con cierto grado de

tacticidad; en el caso del cloruro de vinilo la obtención de polímero con sindiotacticidad alta

74

MAO®

xTI -...,_CI

MAO®

x Ti X Cl ICIC-I-1 n

Discusión de resultados

es poco probable debido a que la coordinación del átomo de cloro con el metal es muy débil.62

Esto sugiere que el mecanismo de polimerización se da por coordinación a través del sistema

catalítico, teniendo el átomo de titanio en estado de oxidación IV, sin embargo, para apoyar

esto es necesario descartar la inactividad de las especies catiónicas de Ti (III) que también son

capaces de polimerizar el CV por coordinación.

CH3 MAO®

+ IO-Al o CI 1 ,.Ti

Ti

« r- X x n CI x xJ ci

2,1

112

MAO® MAO®

x —i::

MAO®

+

XI CI

X = Cl ó CH3

Figura 61. Posible mecanismo de polimerización por coordinación

Entonces ¿Cómo es que funciona este sistema catalítico con el estireno? Para despejar

esta pregunta se realizó una extrapolación del sistema de reacción aquí utilizado, además de

algunas adaptaciones para poder hacer comparaciones. La tabla III muestra estas reacciones,

los datos de la reacción número 1 son los correspondientes a los publicados por Ready y

colaboradores,54 a partir de esa se extrapoló a dicloruro de metileno y por último a las

cantidades añadidas en la polimerización óptima mostrada en esta investigación.

La reacción 1 ejemplifica como se obtiene el s-PS, la conversión en peso es bastante

baja, pero el polímero obtenido es esencialmente sindiotáctico, el cambio de tolueno a CH202

75

Discusión de resultados

produce un pequeño incremento en la conversión pero el material obtenido es totalmente

atáctico, y el cambio posterior de la relación [Monómero]/[IndTiCl31 y [MAO]/[IndTiCl3] a

las óptimas obtenidas para el cloruro de vinilo así como el tiempo de reacción arrojan la

conversión de aproximadamente la mitad del monómero siendo el producto nuevamente

atáctico. De acuerdo al primer experimento de esta investigación, la concentración alta de

MAO en el primer caso provoca que el catalizador sea reducido de Ti(IV) a Ti(III), que es el

responsable de producir poliestireno altamente sindiotáctico, el cambio de solvente ocasiona

que la estereoespecificidad se pierda completamente aún y cuando dicha especie reducida se

encuentre en el sistema de reacción, conforme con lo que se había mencionado en el capítulo

IX.2 y publicado con anterioridad,62 demostrando que la parte aromática del tolueno y el

estireno se coordinan al centro metálico (Figura 47).

Tabla III. Extrapolación entre s-PS y PVC Met por IndTiCl3-MAO

Rxn [IndTiCl3]

(mol)

MAO/IndTiC13

mol/mol

Conversión

(% peso)

% s-PS disolvente Tiempo

(horas)

1 50 1000 1.98 96 Tolueno 0.5

2 50 1000 7.16 atáctico* CH2Cl2 0.5

3 228.57 10 49.5 atáctico* CH2C12 19.5

/1stzrenoJ = ¿. /1 moliL, .) mi estireno, ¿3

* La fracción sindiotáctica se midió por solubilidad en 2-butanona

- Estos resultados demuestran claramente que las especies catiónicas de Ti(III) y Ti(IV)

se comportan de manera diferente en el proceso de polimerización, las especies catiónicas de

Ti(III) son menos estables que las de Ti(IV) y generalmente la actividad demostrada es menor.

En este contexto es preciso recordar que Endo y Saitoh53 previamente ya habían sugerido que

el sitio activo a la polimerización del cloruro de vinilo puede ser diferente al que polimeriza el

monómero estireno.

Una vez que se demostró en la polimerización de estireno la formación y actividad de

las especies catiónicas de Ti(III) y Ti(IV), se realizó la polimerización de cloruro de vinilo con

el sistema catalítico IndTiCl2/MAO, este forma solamente especies catiónicas de Ti(III) de

manera más rápida que el catalizador IndTiCl3, lo que significa que si la primera especie es la

76

Discusión de resultados

responsable de la polimerización, entonces tendrá que ser aún más rápida que el sistema

catalítico IndTiCl3/MAO y dar conversiones similares a las que se han obtenido.

Desafortunadamente se obtuvieron solo trazas de PVC, el cual mostró tener una estructura

muy similar al del obtenido por el sistema catalítico IndTiCl3/MA0, su espectro de RMN de

se puede ver en la Figura 62. La exclusión de MAO del sistema de reacción dio como

resultado la nula obtención de material alguno, en principio el ligante indenilo podría iniciar la

polimerización por radicales libres, sin embargo no se advierte su presencia en la cadena al

examinar el espectro de RMN de 'H obtenido; esto significa que el mecanismo de

polimerización más probable es el presentado en la Figura 61.

r.

-

ci) -4-.

7 6 5 4 3 2 1 0

PPM

Figura 62. Espectro de RMN de 1H del PVC obtenido con el catalizador Ti(IIl)

- El análisis realizado apoya el mecanismo por coordinación con especies catiónicas de Ti(IV),

sin embargo la estructura del polímero analizada por RIvIN de 'H sugiere que el mecanismo

vía radicales libres también se lleva a cabo en estas condiciones de polimerización, para

confirmar este hecho se realizaron dos experimentos empleando las condiciones óptimas

77

Discusión de resultados

determinadas en esta investigación y la presencia de un inhibidor de radicales libres, los

resultados se observan en la Tabla IV.

Tablá IV. Polimerización de cloruro de vinilo con el sistema catalítico IndTiCl3-MAO con y

sin TEMPO

- Reacción Conversión (% peso) Mn x 10 (g/mol) IP

B Reacción normal 40 18.0 1.7

D Reacción normal + TEMPO* 20 17.8 1.9

[VC1/fIndCl31= .)UU, /MJI(JJ //lnaJlL13 = ¡U motimol, LF12'12, '-, '

* TEMPO fue añadido 1:1 en equivalentes con respecto al catalizador

Exceso

X=CIóCH3

X O U. Nohay

+ - polímero xl Hn CI

x

Figura 63. Acción del inhibidor TEMPO sobre el sistema catalítico

Es innegable que la adición de TEMPO (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-I-OXil) reduce la

conversión a la mitad de la reacción normal, Endo y Saitoh53 obtuvieron un resultado muy

parecido cuando le aplicaron el mismo inhibidor de radicales a la polimerización de CV con el

sistema catalítico Cp*Ti(OCH3)3*MA0, y aún y sin comentar alguna posible razón de dicha

disminución se postula la polimerización como no-radicálica; por otra parte, Jordan y

colaboradores,5' han cuestionado fuertemente los estudios de Endo y Saitoh demostrando que

la polimerización se inhibe totalmente si se agrega un exceso de benzoquinona ó 4-tert-

butilcatecol (inhibidores de radicales) al sistema de reacción, específicamente en una relación

inhibidor/Al =3. El resultado puede ser obvio si se considera que la ausencia de

polimerización puede ser debido a que las especies activas formadas en el proceso de

polimerización se destruyen en presencia de una alta concentración de compuestos que

Discusión de resultados

presentan en sus estructuras grupos polares, otra parte del inhibidor puede atrapar los radicales

formados, otra parte puede coordinarse,72 en otras palabras es dificil determinar el papel del

inhibidor cuando existe en una alta concentración.

La investigación mas reciente de Endo y Saitoh73 trata de la copolirnerización de

cloruro de vinilo con etileno con el sistema catalítico Cp*Ti(CH3)3 MAO, una relación Al/Ti

10, a 20°C y 24 horas de reacción, obteniendo un copolímero que se dice en bloques, además

se encuentra que no se produce PVC homopolímero y que la polimerización se lleva a cabo

por sitio simple dando una curva de elución unimodal obtenida por cromatografía de exclusión

por tamaño. Se concluye que todos estos datos se vinculan a una polimerización por

coordinación, lamentablemente no se dispone de ejemplo propio para efectuar alguna

comparación, puesto que esto se encuentra fuera de los objetivos de la investigación.

El origen de los radicales libres es desconocido, Jordan y colaboradores5 ' proponen

que se originan de especies Al-R. En esta investigación se analizó la posibilidad de que su

origen sea a través de la formación de compuestos de Ti(III) neutros o catiónicos, los cuales

pueden formar radicales libres a partir del ligante indenilo (Figura 64). Los resultados

obtenidos indican que no hay evidencia de que dicho ligante participe en el proceso de

polimerización. Una nota importante en este contexto es que el cloruro de vinilo no reacciona

con IndTiCl3 ó MAO en separado, sino que estos dos compuestos deben estar juntos y

activados apropiadamente para producir PVC. Desafortunadamente todo parece indicar que el

radical se origina de una descomposición de la especie activa, su identificación y

caracterización es complicada y aún mas lo es tratar de detenninar su ruta de descomposición,

este estudio no fue realizado por falta de elementos de análisis necesarios y porque la sección

planeada a la síntesis del polímero ya se había tomado mas tiempo del proyectado.

X = CI ó CH3

e e Ti 1

Cl

x f xJn x Lii

Figura 64. Posible iniciación de cadena por radicales del indenilo

VI. 6 INTEGRACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

79

Discusión de resultados

Es oportuno hacer una revisión de los resultados centrales que dirimen de alguna manera la

naturaleza del mecanismo de polimerización del material obtenido:

> El incremento en conversión en peso al cambiar el disolvente de uno no polar a uno

polar da a conocer el carácter jónico de la especie activa, la cual permite la entrada al

monómero al situarse en un medio con mayor polaridad.

> De -30 a 25°C el sistema catalítico es estable y muestra resultados homogéneos, bajas

velocidades de reacción e índice de polidispersidad estrecho con respecto a las

polimerizaciones hechas por radicales libres.

La baja velocidad de polimerización se adscribe principalmente al bloqueo del sitio

activo por un par de electrones libres del átomo de cloro perteneciente al monómero,

aunque también puede ser vinculada a la poca concentración del activante sobre el

catalizador en el sistema de reacción, que de esta manera produce pocas especies

activas.

» La baja presencia de co-catalizador (MAO) muy seguramente produce solamente

especies de Ti(IV) y una cantidad mínima de Ti(III), esta especie mayoritaria es

señalada como carente de estereoespecificidad, asimismo esta propiedad se encuentra

ausente en el sistema de reacción debido a que el disolvente y el monómero utilizados

son incapaces de coordinarse con el centro metálico, tal como lo hace el tolueno y el

estireno.

A 40°C la polimerización podría ser dirigida por radicales libres, comparando los

- resultados obtenidos en las Figuras 42 y 44 a 46.

> Se descarta totalmente la posibilidad de una polimerización catiónica dada la

incapacidad del monómero para soportar una carga positiva y transferirla a otro

monómero, además se probó ya que dicho proceso bajo condiciones especiales produce

solamente moléculas de siete monómeros unidos como máximo, según la literatura; la

polimerización aniónica por otra parte, solo es posible con butilitio.

No existe polimerización de cloruro de vinilo cuando se encuentra en el sistema de

reacción solo con el catalizador hdTiCl3 ó con MAO, comprobando que es necesaria

* la interacción de estos dos para lograr la reacción.

Discusión de resultados

> Una alta adición de MAO en el sistema de reacción trastorna totalmente el sistema de

reacción, provocando que el MAO interaccione con el polímero y modifique su

naturaleza, en casos extremos esta interacción entra en competencia con la

polimerización.

> Es muy probable que la polimerización encontrada con condiciones óptimas de

conversión sea dirigida parcialmente por coordinación y por radicales libres, a 40°C

ésta es dirigida principalmente por radicales libres, los cuales son de origen

desconocido.

VI. 7 MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN PROPUESTO

Para elucidar las señales menores que aparecen en el espectro de 'H RIvIN del PVC

obtenido se llevó a cabo una espectroscopía de correlación de dos dimensiones (COSY), el

resultado se muestra en la Figura 66.

Se pueden ver dos correlaciones obvias, las que indican que las unidades metilénicas

están unidas a las metínicas (-CH2- seguido de -CHC1-) y otras tres correlaciones que dan a

conocer resultados importantes en cuanto a la estructura se refieren. La correlación a asegura

que la estructura que genera la señal a 6.18 ppm (que corresponde al átomo de hidrógeno de

un final de cadena —CHCl2) está ligada a la estructura de la señal a 2.62 ppm, la cual

corresponde a los protones contiguos a ése final de cadena —CH2CHC12, la correlación 3 por

su parte manifiesta que la estructura que produce la señal a 3.72 ppm (-CH2C1) está unida

directamente a la estructura que es responsable de la señal de las unidades metilénicas, y por

último, la correlación y establece que la estructura que causa la señal a 2.62 ppm a su vez está

ligada a la estructura responsable de las unidades metínicas; por lo tanto estas tres

correlaciones plantean la existencia de dos finales de cadena diferentes (Figura 65):

CH2—CHCl2 \rfPCH—CH2—CH2CI

1CI CI

Figura 65. Finales de cadena obtenidos en el PVC

EM

Discusión de resultados

Estos dos finales de cadena están estrechamente relacionados con un mecanismo de

polimerización por radicales libres, Percec y colaboradores4' encontraron anteriormente estos

dos finales de cadena en polímeros producidos por polimerización viviente de radicales libres,

y se concluye que ambos son producidos por tansferencia de cadena al monómero.

Curiosamente estos finales de cadena "muertos", como se le llaman en el artículo, son

Discusión de resultados

producidos solamente cuando el disolvente es cloroformo -CHCI3-, mientras que en

yodoformo —CHI3- las terminaciones son -CHC1CH2CHCII y -CHC1CH2CHCl2, lo que

significa que la existencia de solventes dorados induce dicha transferencia. Esto se confirma

al observar las Figuras 67 y 68, que corresponde a un PVC Met en CH2C12 a 40°C con AIBN

como iniciador.

Se observan claramente las mismas señales a 6.18, 3.72 y 2.62 ppm (la metilación no

ocurre, por lo tanto las señales debajo de 1.5 son debidas a ramficaciones), indicando que

ambos finales de cadena se presentan en este polímero sin importar la naturaleza del

mecanismo, esto lleva a deducir que independientemente de que el poli(cloruro de vinilo) sea

producido por coordinación o no, la terminación de la cadena en crecimiento se da debido a la

transferencia de cadena al monómero.

Para conocer la aportación de la autopolimerización en la reacción a 40°C se realizó

una polimerización en CH2C12 a 40°C con cloruro de vinilo por 24 horas, el resultado fue

negativo, no se obtuvo ningún producto.

('3

1

PPM

- Figura 67. Espectro de RMN de 'H de PVC Met en solución a 40°C con AIBN

*1

Discusión de resultados

6.5

4.0 3.5 3.0 2.5

PPM

Figura 68. Detalle del espectro de RMN de 1H de PVC Met en solución a 40°C con AIBN

Tomando en cuenta los resultados anteriores y las deducciones hechas en base al

comportamiento de la reacción, se propone un mecanismo de polimerización que si bien

podría tener deficiencias en su planteamiento, es supuesto el más cercano y real a los datos ya

presentados (Figura 69).

Activación del sistema catalítico:

CH3 CH3 ,CH3 íx ?< 10 + Al—O-Al —O-Al 1 'Al—O-Al—O- AI

bH3 Ti L

X Xi

Cl x X = Cl 6 CH3

Iniciación por inserción 2,1 del monómero:

MAO° MAO0 MAO°

X 1 X k,,2'CI Cl - X

Figura 69. Mecanismo de polimerización por coordinación propuesto

Discusión de resultados

Propagación:

MAO® MAO® CI

' ci xT1 x

ci ci

AO® MAO®

«s'ícl

CI Ci X

cl '

MAO®

Terminación por adición de ácido clorhídrico:

X=C1óCH3

HCl/MeOH ciX

Figura 69. Continuación. Mecanismo de polimerización por coordinación propuesto

La activación se realiza entre el catalizador y el MAO al sustraer éste último un átomo de

cloro del primero e intercambiar por metilos uno o dos de los demás átomos de cloro restantes,

se considera que en base a información ya presentada el estado de oxidación del metal es

predominantemente Ti(IV), la inserción del monómero se realiza en forma 2,1 (con la unidad

metínica coordinándose directamente al átomo metálico) puesto que una inserción 1,2 conduce

a una -eIiminación del átomo de cloro del monómero,51 esta primera inserción del monómero

Discusión de resultados

es seguida por la adición de otras unidades, esta cadena en crecimiento puede ser terminada

por la adición de ácido clorhídrico al sistema de reacción, generando dos finales de cadena, el

de la salida del catalizador -CHC1CH2CH2C1 y el extremo de inicio -CHC1CH2X, que dado X

pueden ser -CHC1CH2CH3 y -CHCICH2C1, estos se pueden observar detalladamente en la

Figura 70.

Final de cadena _______ Se observa en el salida del catalizador

L1 j C¡

A

espectro COSY

CH3 Igual al producido por Cl ci metilación por parte del

Finales de cadena - n B trimetilaluminio del MAO

primer monómero entrante

Ci Diferente al mostrado Ci CI en el espectro COSY

nc

Figura 70. Posibles finales de cadena

El final de cadena A corresponde a uno de los deducidos en el espectro COSY (Figura

65, extremo derecho), el final de cadena B es de una estructura semejante a los producidos por

metilación de la cadena principal por parte del trimetilaluminio presente en el MAO, por otro

lado, el final de cadena C es ligeramente parecido al final de cadena deducido del espectro

COSY (Figura 65, extremo izquierdo) pero una comparación detallada muestra que no es así,

el final de cadena C tiene una unidad —CH2- menos que el final de cadena en el extremo

izquierdo de la Figura 65, lo que significa que al momento de terminar la reacción por adición

de ácido clorhídrico solo se obtiene el final de cadena B, nunca el C. Este final de cadena

deducido mediante el espectro COSY se puede generar por transferencia de radicales libres

como se había dicho anteriormente, la Figura 71 muestra los mecanismos propuestos para la

formación de éste final, así como el final de cadena A.

Se puede observar que la transferencia del electrón de la cadena en crecimiento al

monómero con la abstracción de un protón de éste produce el final de cadena

CHC1C112CH20, mientras que la abstracción de un átomo de cloro produce el final de cadena

-CHC1CH2CHC12. Se concluye entonces que el final de cadena -CHC1CH2CH2C1 puede ser

Discusión de resultados

producido por polimerización por coordinación como por polimerización por radicales libres,

el final de cadena -CHCICH2CH3 puede ser producido por polimerización por coordinación

como por metilación de la cadena por parte del tnmetilaluminio del MAO, y el final de cadena

CHC1CH2CHC12 es producido solamente por polimerización por radicales libres, su

integración podría dar pie a conocer la contribución de dicho proceso en el material producido,

pero no se puede comparar con los otros finales de cadena debido a que éstos son producto de

al menos dos procesos. Estas deducciones significan que es imposible distinguir entre el PVC

producido por coordinación y el producido por radicales libres, así como determinar si hay

interacción entre estos dos mecanismos de polimerización, por lo menos no es posible por los

medios que se tienen al alcance en esta investigación.

CH _ CH 2 ===C• __

+ Cl Cl Cl Cl Cl Cl

CH C2 H + \ HC='\

Cl Cl Cl Cl Cl Cl

CH H\ CH• 1

+ /C—CH

Cl Cl Cl Cl Ci H

Figura 71. Mecanismo propuesto de transferencia de radicales de cadena a monómero41

Discusión de resultados

VI.8 PROPIEDADES GENERALES DEL POLIMERO OBTENIDO

El poli(cloruro de vinilo) obtenido por polimerización de cloruro de vinilo con el sistema

catalítico IndTiCl3-MAO a baja relación de activación, en cloruro de metileno, a 25°C y 24 horas

de reacción fue comparado con otro polímero comercial, por su origen al primero se le denomina

Met, mientras que el segundo se designa Com. La Tabla V presenta un comparativo de las

propiedades de ambos plásticos.

Tabla V. Propiedades de los materiales a degradar

Mn

(g/mol)

IP

(Mw/Mn)

Área superficial

(m2Ig)

Tg

(°C)

Tacticidad (% triadas)

rr mr mm

Com 97,126 1.62 3.01 88.6 33.69 50.06 16.25

Met 23,478 1.82 22.68 87.7 36.83 49.53 13.64

Esta muestra de PVC comercial fue producida en suspensión a 60°C con los iniciadores

cumilperoxidecanoato y terbutilperoxidecanoato —Trigonox 99 y 23 respectivamente- de los que

se puede ver su estructura en la figura 72, además de esto se reporta un valor K de 68.

Figura 72. Iniciadores utilizados para la producción del PVC comercial

Discusión de resultados

En la Tabla V se observa que tanto la tacticidad como la temperatura de transición vítrea

de cada polímero tienen una diferencia muy pequeña. Por otra parte, el peso molecular y el área

superficial dan a conocer discrepancias muy grandes, la muestra comercial (Com) se eleva cuatro

veces sobre el PVC Met, mientras que éste último tiene un área superficial 7.5 veces mayor sobre

el primero, ambas desigualdades son producto del origen de cada material. La polimerización en

suspensión por medio de radicales libres permite la formación de pequeñas partículas porosas y

altos pesos moleculares, mientras que la polimerización en solución por coordinación permite la

formación de agregados con porosidad alta y pesos moleculares medios.

En la Figura 73 se observan los espectros de RMN de 'H de ambos polímeros presentados

en la Tabla V.

-CHCI-

Metilación

Met PVC a)

Iniciadores

Com PVC

- • • • • • 7 6 5 4 3 2 1 0

PPM

Figura 73. Espectros de RMN de 11-1 de los polímeros a degradar

Se puede observar que pequeñas señales entre 0.9 y 1.5 ppm, relacionadas a metilación en

el caso del PVC Met, mientras que en el polímero comercial estas son adjudicadas a los

iniciadores utilizados para su producción; asimismo, los finales de cadena encontrados en el

primero no se ven reproducidas en el plástico comercial. Por otro lado, las señales

M.

Discusión de resultados

correspondientes a —CH2- y —CHC1- no presentan diferencia alguna. La Figura 74 presenta los

difractogramas obtenidos por rayos X de ángulo amplio (WAXD) más el perfil de los picos

esperados de una célula ortorrómbica de PVC, de acuerdo a una investigación que asume es la

formación mas estable.74

160 Negro: PVC Gris: PVC F Líneas: Pa

80 U)

60 i:L F4 i

30 35 2theta

Figura 74. Patrones de difracción de Rayos X de ángulo amplio de los polímeros y picos esperados

según una célula ortorrómbica 74

Es evidente que ambos polímeros obtenidos se pueden considerar como de cristalinidad

semejante, según esta evaluación; por otro lado, la línea general obtenida tiene una forma muy

parecida a los picos que se obtienen de una célula ortorrómbica de PVC cristalino, aunque con

resolución muy baja.

Como ya se vio, aunque ambos plásticos tienen un origen muy diferente, algunas de sus

propiedades son muy parecidas, mientras que otras marcan claramente dicho origen, ambos

polímeros fueron sometidos a degradación y su desempeño resultante fue comparado para poder

así evaluar la resistencia a diferentes temperaturas.

140

120

40 LEE

20

0 -- 10 t

cm

Discusión de resultados

VI.9 DEGRADACIÓN ESTÁTICA

Cada uno de los polímeros fue evaluado a 160, 170 y 180°C en un vial al que entraba gas

(aire o nitrógeno) precalentado, que acarreó el ácido clorhídrico liberado a una celda con una

solución de KC1 0.1 M. En dicha celda se encontraba un electrodo que medía en tiempo real el

potencial de la celda y lo registraba en un procesador. Este sistema de degradación es adaptado de

otros ya conocidos en el medio,'4'7577 y su representación se observa en la Figura 36.

El resultado usual de un experimento es una "S" estirada, que representa la medida de la

concentración del ácido clorhídrico en la solución, esta consta de tres partes: (1) una línea inicial

que se estabiliza, la que después de una inflexión da paso a una (2) línea recta que muestra

incrementos grandes, que después de una última inflexión da paso a (3) una línea con tendencia

asintótica. Mediante un proceso posterior de tratamiento de datos, se obtiene la derivada de ésta

línea, la cual consta de un pico sencillo con el máximo ubicado en la segunda línea recta, esta

descripción se presenta en la Figura 75.

200

180

160 U) a) o E 140 E

120

100

14

3

IVI

0 20 40 60 80

Tiempo (mm)

Figura 75. Evolución de HCI de la muestra comercial a 160°C en aire

Al comparar estas líneas con la derivada obtenida se encuentra evidente que estas tres líneas se

refieren a tres estados de liberación de ácido clorhídrico, la primera representa el tiempo de

inducción a dicho proceso, la segunda la liberación de ácido en grandes cantidades, y la última la

91

Discusión de resultados

liberación de ácido en cantidades cada vez menores como consecuencia del fin del proceso. Por

tal motivo esta degradación se muestreó en dos puntos intermedios y uno final, el primero se

situó en el tiempo en el que el material aún no libera ácido, los dos siguientes en el tiempo en el

que la liberación es fuerte, y el punto final poco después de la segunda inflexión, cuando la

cantidad de ácido liberado decrece, estos puntos de muestreo se realizaron mediante degradación

por lotes.

El utilizar tres diferentes temperaturas en el método de degradación es útil para comparar

comportamientos, mientras que la atmósfera de aire o nitrógeno permite aclarar la influencia del

ambiente oxidativo en la degradación. Por su parte, el seguimiento de la degradación a diferentes

tiempos permite conocer las etapas del proceso de degradación; estos tres elementos aplicados a

ambos polímeros, a su vez, permiten establecer discrepancias e igualdades entre estos. Las curvas

de liberación de ácido clorhídrico obtenidas por este método de degradación, así como sus

derivadas se pueden observar en la Figura 76.

Es inevitable observar que el aumento de la temperatura de degradación acorta el tiempo

de inducción en todos los casos, de la misma forma, la segunda línea conespondiente a la

máxima rapidez de dehidrocloración (MRDHC) se acerca mas a la vertical conforme se da este

aumento, al mismo tiempo que la gráfica de la derivada se vuelve más aguda. Por otra parte, si se

comparan las gráficas obtenidas para cada material se deduce que el PVC Met (Met) libera el

HC1 mucho mas rápido que la muestra comercial (Com). De la comparación entre las atmósferas

aplicadas se desprende el efecto que tiene el aplicar una atmósfera oxidativa o inerte, ya que la

primera permite que dicha liberación se efectúe de una manera mas acelerada, en acuerdo con dos

articulos ya publicados.'8'78 Con el fin de comparar mejor estos resultados a partir de la primera

inflexión de la curva se obtuvo la medición de el tiempo de inducción (Ti), y de la segunda línea

se sacó la inclinación de la recta, que es en realidad una medida de la MRDHC, ambos resultados

se muestran en la Figura 77.

Otra observación interesante es que las derivadas parecen mostrar dos procesos de

liberación de ácido (en algunos casos esto no es tan notorio), en la cual se distingue una pequeña

protuberancia, seguida del pico principal de la derivada, que luego cae de manera marcada.

Ambos materiales muestran esto claramente en la degradación a 160°C, pero el aumento de la

temperatura desvanece hasta casi borrar esta tendencia.

92

Discusión de resultados

200 200

PVC Com en Aire PVC Met en Aire

180 1801c 180 1700C

160

100

O 10 20 30 40 50 60 100

0 10 20 30 40 Tiempo (mm)

Tiempo(mmn)

190

0 0 k1 70%

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40

Tiempo (mm) -- - -- Tiempo (mm)

200 200 PVC Com en Nitrógeno PVC Met en Nitrógeno

180 180

o

: Ii7,i6oC

120 120

100-.-

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40

-- - Tiempo(min) - - Tiempo (mm)

6 -- 7

70C

--.-- --- 1 .--------.----.---

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60

ci Tiempo (mm) Tiempo (mm)

Figura 76. Curvas de evolución de HCI de los polímeros Met y Uom a lb(J, 1 (0 y 1iUU en aire

- nitrógeno

50 60

50 60)

50 60)

93

Discusión de resultados

10

H.. 7 Ho

ci o

2

1

--- 160

-.- Com-N2

—.--Com-Aire

-.--- Met-N2

Met-Aire

165 170 175 180

Temperatura de degradación (°C)

10 -.- Com-N2

—.—Com-Aire

160 165 170 175 Temperatura de degradación (°C)

180

Figura 77. Tiempo de Inducción a la liberación de HCI y MRDHC

Esta figura muestra claramente dos efectos: el aumento de la temperatura disminuye el

tiempo de inducción (aunque no en la misma medida para cada polímero) y la atmósfera de

nitrógeno permite un tiempo de inducción un poco más largo que la atmósfera de oxígeno.

También es claro que el polímero Met tiene tiempos de inducción más cortos que el polímero

El

Discusión de resultados

Com. Lo anterior significa que la liberación de ácido clorhídrico se efectúa más rápidamente en

el primero que en el segundo, pero no necesariamente expresa una mayor degradación (este punto

de discusión será tocado posteriormente). Por otra parte, el PVC Comercial tiene una diferencia

entre el punto máximo y el mínimo de Tide 5.2, mientras que el PVC Met tiene una diferencia de

Tide 1.5, lo que significa que la modificación de la temperatura afecta en mayor grado al

primero, probablemente debido a la diferencia en el área de contacto entre los materiales como

consecuencia de su área superficial.

En el recuadro inferior de la Figura 77 se observa que el aumento de la temperatura

provoca el incremento del valor máximo de la derivada, en la curva de dehidrocloración

(MRDHC). En este caso, el PVC Met en esta investigación tiene los valores más altos, sin

embargo ahora la influencia de la atmósfera es más ambigua: la inclusión de aire permite al

polímero Met obtener los valores superiores de la gráfica, mientras que la inclusión de nitrógeno

disminuye estos valores, mostrando una recta que va de 1.6 a 3.3 puntos en la MRDHC, para el

polímero Com. Esta situación prevalece a 180°C y se invierte a 160 y 170°C, haciendo notar que

en este material el intervalo de variación de MRDHC es de 0.31 a 0.71, lo que aparentemente

significa que esta medición depende de otro(s) factor(es) además de la atmósfera empleada.

VI. 10 CAMBIOS EN EL COLOR DURANTE LA DEGRADACIÓN ISOTÉRMICA

El poli(cloruro de vinilo) tiene la particularidad de adquirir color conforme se degrada,'4

si éste se encuentra formulado con estabilizadores dicho color puede variar en todo el rango del

espectro: amarillo, anaranjado, rojo, morado, verde, azul ó café, pasando del tono pálido al

oscuro. Pero si el material se encuentra privado de dichos aditivos, la gama de colores se reduce y

adquiere tonos rojos ó cafés, en todos los casos el color final es el negro. Para efectos visuales, se

muestran las fotografias de los colores obtenidos en las Figuras 78 y 79.

En términos visuales el PVC Met muestra el mismo color bajo atmósfera oxidativa que

inerte, pero el PVC Com cambia su color de rosa-rojo a rosa-violeta con el mismo cambio,

diferencia obvia de un efecto decisivo del oxígeno sobre este último.

95

Discusión de resultados

5 10 15 20min PVC Met

PVC 16000

Com

o 15 30 45 60min o 5 10 15 20min

PVC Met

PVC 170°C

Com

0 10 20 30 40min 6 9 l2min

Met

PVC Com

O 7.5 15 22.5 30min Figura 78. Fotografía de las muestras de PVC degradadas atmósfera de aire

En los inicios del estudio de la degradación de! PVC se obtenía generalmente la aparición

del amarillo (el estabilizador añadido daba como resultado este color) y puesto que este color

deriva del desarrollo de polienos (primer indicio de la degradación) se creyó que su seguimiento

sería un reflejo fiel de este proceso. Esta técnica de evaluación de la degradación ha sido y es

muy utilizada actualmente,75'79'8° pero al mismo tiempo (como ahora) se supo que el amarillo no

es el único color que se puede rastrear en esta evolución.81' 82 Un monitoreo del color en tiempo

real durante la degradación puede revelar aspectos interesantes de ésta y no precisamente a través

del color amarillo.

Se presenta en la Figura 80 el índice de amarillamiento (lA) obtenido para los dos

materiales en aire y nitrógeno, a 160, 170 y 180°C.

me

Discusión de resuliados

PVC 0 .-10 Z0 30 40 mm Met

PVC 16000

Com

0 15 30 45 60min

FFPVC0 5 10 15 20min

Met

PVC 170°C

Com L: O 10 20 30 40min

0 4 8 12 16min PVC Met

180°C

PVC Com

0 5 10 15 20min Figura 79. Fotografía de las muestras degradadas en atmósfera de nitrógeno

Se observan dos efectos ya conocidos, el primero es el de la temperatura, que produce mayor

índice en tiempos menores, el segundo efecto corresponde al origen del polímero, donde

nuevamente, el PVC Met muestra mayor pérdida de propiedades, que en este caso es un índice de

amarillamiento más alto que la muestra comercial. El último efecto es el de la atmósfera

utilizada, que como ya se había observado en la Figura anterior, juega un papel ambiguo: la

presencia de nitrógeno permite al PVC Met obtener valores de lA mayores que en presencia de

aire, mientras que por el contrario, la presencia de aire permite al PVC Com adquirir valores

mayores que en presencia de nitrógeno. Esta diferencia en resultados se liga directamente al

origen del material: la existencia de una mayor área superficial en el polímero sintetizado permite

una mayor y más rápida liberación de ácido clorhídrico, mientras que en el material comercial

esta liberación ocurre más despacio,6 este contraste de eventos produce la diferencia en la

formación de polienos que se observa como coloración.

97

Discusión de resultados

70

Com: 160°C (u) 170°C (,) 180°C (A) Met: 160°C (+) 170°C (x) 180°C (—) Línea discontínua:Nitrógeno

Aire

30

20

lo

Tiempo de degradación (mm)

Figura 80. Índice de Amarillamiento

Sin embargo este razonamiento no es suficiente para explicar completamente los

resultados inducidos por la atmósfera, puesto que la inclusión de aire produce mayor JA que el

nitrógeno, efecto que se invierte en el polímero sintetizado. Se presume en este caso que la

presencia de grupos carbonilos residuales (los cuales tienen un efecto cromofónco), como

consecuencia del iniciador utilizado, causan este efecto. En este contexto, se debe comentar que

se supone además que en ambos materiales existe una competencia entre la formación de

polienas y la formación de grupos carbonilos. En el caso del PVC Met, esta competencia favorece

la formación de polienos por la alta velocidad con que se forman, y en la muestra comercial se

favorece la formación de grupos carbonilos por la baja velocidad de formación de polienos

debida a la lenta liberación de HC1.

Además de la evaluación anterior se realizó la descomposición del color del polímero sin

degradar y degradado en su etapa final, en sus colores primarios; los resultados se muestran en la

Figura 81.

Discusión de resultados

Rojo 230 ----PVC Met Inicial

u 160°C Aire 20 mm

Y - •- 160°C Nitrógeno 40 mm

1 £ 170°C Aire 20 mm

170°C Nitrógeno 20 mm

180°C Aire 12 mm

- -

- - 1 80°C Nitrógeno 16 mm

Azul Verde A

Rojo - - - - PVC Com Inicial

230

u 160°C Aire 60 mm

18/ —a— 160°C Nitrógeno 60min

Á 170°C Aire 40 mm

Nitrógeno 40 min

:::: Aire 30 mm L

i80°C Nitrógeno 20min

Azul Verde

Figura 81. Descomposición del color real de los polímeros sin degradar y degraaaaos en sus

componentes primarios (escala solo en el eje del rojo)

* Se presenta en estas gráficas la intensidad de los tonos primarios rojo, verde y azul,

además del color final de este mismo polímero degradado a cierta temperatura y a una atmósfera

específica. Esta escala se desplaza de cero a 255 para cada tono, si todos estos tonos tienen el

número máximo, es decir 255, el color es el blanco puro, en cambio si todos los tonos tienen el

número mínimo, es decir cero, el color obtenido es el negro puro, por otro lado, si los tres tonos

99

Discusión de resultados

son diferentes, el color resultante es la suma de los tres tonos por separado. Sin embargo, en la

Figura 81 no se ven este máximo y mínimo, sino una escala que va de 50 a 230, solo con fines de

hacer mas clara la lectura.

Se observa que ambos polímeros tienen casi el mismo color inicial, que se acerca mucho

al blanco puro y conforme se aumenta la temperatura de degradación los tonos obtenidos se

alejan de este color para acercarse cada vez más al negro. Es evidente también que la aplicación

de la atmósfera oxidativa produce tonos un poco más intensos que la atmósfera inerte, en

concordancia con la Figura 80 (lA), en lo que se supone la introducción de grupos cromóforos

(carbonilos) a la cadena de polímero. Analizando cada tono por separado, se observa que el rojo

es el que tiene pérdidas menores, seguido por el verde, mientras que el azul es el tono que tiene

las pérdidas mayores y más rápidas de los tres. En síntesis, la Figura 81 da a conocer que para el

PVC Met una vez aplicada la degradación su color no cambia apreciablemente, confirmándose al

observar nuevamente las Figuras 78 y 79; pero en el caso del PVC Com, el color obtenido se

registra con diferencias más grandes, que saltan a la vista al observar las Figuras de las

Fotografias 78 y 79.

Este análisis de color por descomposición en sus tonos primarios apoya y da una nueva

visión del índice de amarillamiento, confirma el efecto de la introducción de grupos oxidados a la

cadena de polímero, los que solamente existían como una suposición al realizar la primera

evaluación de color, además de que resalta la competencia en ambos materiales entre la

producción de polienos y la inclusión de oxígeno al polímero.

Es evidente que esta evaluación de color por desintegración de sus componentes es útil para

complementar el análisis ya estandarizado de índice de amarillamiento, y aunque produce el

triple de datos que éste último, es posible que pronto se pueda obtener conclusiones más

contundentes a partir de éste estudio.

VI. 11 ESPECIES OXIDADAS E INSATURADAS DURANTE LA DEGRADACIÓN

ISOTÉRMICA

Es sabido que la degradación del PVC se lleva a cabo por la aparición de dobles enlaces y

su extensión en forma de polienos; mientras que la aparición de insaturaciones sigue teniendo

serias controversias,6 la formación de dobles enlaces conjugados tiene una sola teoría

100

Discusión de resultados

ampliamente aceptada: el mecanismo de "zipper".5 Por otra parte, algunos estudios demuestran

que la atmósfera oxidativa también tiene influencia decisiva en la degradación, 83 ambos factores

*

(la formación y crecimiento de dobles enlaces así como la introducción de especies oxidadas a la

cadena de polímero) inciden sobre la degradación del material durante su procesamiento y vida

útil. Por esto deben de ser considerados al efectuar una degradación acelerada, con el propósito

de reproducir lo mas fielmente posible el ambiente que incide sobre el material final.

Ambas especies pueden ser monitoreadas a través de espectroscopía infrarroja8487 y en

este caso se realizó un índice al dividir la absorbancia de la señal correspondiente entre la

absorbancia de la señal de los metilenos, metodología ya conocida anteriormente.75'82 El resultado

se muestra en las Figuras 82 y 83 (debe observarse que con fines de claridad las gráficas tienen

diferentes intervalos de valor en sus escalas).

La comparación entre las figuras 82Ay 82B muestra que el índice de dobles enlaces (IDE)

obtenido en el PVC Met degradado es mucho mayor que el del PVC Com, además en ambos

casos la atmósfera de nitrógeno produce IDE menores que en aire. Se puede decir que el tiempo

de degradación, por este método, es menor para el primero que para el material comercial.

La apropiada comparación entre las Figuras 83A y 83B muestra que el PVC Met tiene

mucho menor índice de Carbonilos (IC) que el PVC Com, asimismo el nitrógeno parece influir

en obtener valores menores de IC, aunque en el último caso este efecto parece ser mas ambiguo

que en el primer material.

Las Figuras 82 y 83 presentan coherencias con las figuras 80 y 81, correspondientes al JA

y a los colores primarios, así como algunas discrepancias. Se establece que el PVC Met tiene una

producción más alta de dobles enlaces que el PVC Com, (Figura 82 con Figura 80) sin embargo,

mientras que la Figura 80 establece una mayor existencia de insaturaciones en nitrógeno, la

Figura 82 asegura esta mayoría en aire. La misma comparación de Figuras corrobora que la

muestra comercial tiene una menor existencia de dobles enlaces comparada con su homólogo

producido, pero en este caso la influencia de la atmósfera aplicada no muestra un efecto inverso

al comparar los métodos de caracterización. En cuanto a la relación de carbonilos con el color

obtenido (Figuras 83 con 80 y 81) el PVC Met posee menor cantidad de especies carbonílicas

comparada con el PVC Com (posiblemente debido a que en la síntesis de éste último se utilizaron

iniciadores con grupos carbonilos). En ambos casos, la presencia de aire aumenta la cantidad de

especies, esto sustenta la teoría de competencia entre la formación de dobles enlaces y la

101

Discusión de resultados

introducción de grupos oxidados a la cadena principal, que se conjunta con la teoría de que una

mayor área superficial permite una liberación mayor y más rápida de ácido clorhídrico.

0.12 Com PVC

0.11

0.10

0.06 ,-<- A

0.05 -

0 10 20 30 40 50 60 Tiempo de degradación (mm)

0.45 Met PVC 160°C : u 170°C: A 180°C : +

0.40 +•S\

Línea discontínua: Nitrógeno

0.35 1 / /' \ Línea contInua: Aire

o) (1

0.30 _ -u------.. II

E 0.25 - 1 , -

00.201 1

0.15

0.10 -

0 10 20 30 40 Tiempo de degradación (mm)

Figura 82. Indice de dobles enlaces

Una comparación mas detallada permite reconocer que las especies oxidadas son

diferentes para cada material; mientras que el PVC Com tiene su máximo a 1736 cm', el PVC

Met lo tiene a 1712 cm 1 (Figura 84). Investigaciones anteriores84' 87 indican que la primera

102

Discusión de resultados

corresponde a una cetona y la segunda a un ácido carboxílico, lo cual significa que existe una

diferencia marcada en cuanto a las conformaciones de los cloros reactivos de cada polímero y

refuerza la idea de que la degradación, de cada uno de éstos, toma rutas totalmente diferentes.

0.55 1 ComPVC

0.50

c..J 1-

0.45

0.40

0.35

0.30 -

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo de degradación (mm)

0.30 Met PVC

/•/ B

0.25

160°C. 170°C A 180°C +

0.20 Línea discontínua: Nitrógeno Línea contínua: Aire

. 0.15 o

_-~-•_. -- - _Á

0.10 ,r

0.05 -

0 10 20 30 40

Tiempo de degradación (mm)

Figura 83. Indice de Carbonilos

103

Discusión de resultados

0.35 F

0.30.

0.25.

(

0.20

(

0.15 o U)

< 0.10V

0.05

0.00•

-0.05 - 3100 3000 2900 1800 1700 1600 1500

Número de onda

0.12 A 3min

PVC Met / 6min

0.10- /

/ 9min

c 1:'

-e 0.06. o

< 0.04 - !I

::: 2

3100 3000 2900 1800 1700 1600 1500

Número de onda

Figura 84. Espectros de FTIR de los polímeros degradados a 180°C en aire

Las diferencias y/o ambigüedades entre las caracterizaciones visuales (Figuras 80 y 81) con las

caracterizaciones por espectroscopía infrarroja se pueden atribuir a varios factores: (1) la medida

de absorbancia obtenida como respuesta, proviene de diferentes longitudes de onda, (2) en el

espectro de FTIR se miden dos señales bien definidas, mientras que en la caracterización por JA

104

Discusión de resultados

se mide el color en un intervalo de longitudes de onda, (3) la suposición de la relación entre

mayor resistencia a la pérdida de color-mayor presencia de especies oxidadas debe ser verificada

realizando degradaciones isotérmicas bajo atmósfera de oxígeno, (4) el PVC de origen comercial

tiene estructuras carbonílicas desde que fue creado debido a los iniciadores utilizados y (5) los

tres métodos de caracterización utilizados no son cuantitativos.

VI.12 LUMINISCENCIA

La existencia de dobles enlaces en el PVC durante la degradación es un punto de

discusión importante; dado que se producen por el fenómeno zipper, éstos deberían existir de

-

principio a fin de la cadena, generando un poliacetileno, sin embargo, en la realidad esto no se

produce. Teóricamente, lo anterior no sucede debido a que defectos estructurales (uniones

cabeza-cabeza, ramificaciones) así como reacciones secundarias simultáneas (introducción de

oxígeno a la cadena, entrecruzamiento, liberación de aromáticos, "back-biting") lo impiden; de

cualquier manera se ha comprobado que estos polienos existen pero en conjugaciones :120,12 la

importancia de estos polienos radica precisamente en que son el medio de propagación de la

degradación del plástico.

Dichos polienos pueden ser detectados por emisión de fluorescencia,88' 89 y para el caso

del PVC se ha encontrado90' 91 que la excitación a 280 nm provoca la excitación de polienos

consistentes de tres dobles enlaces conjugados, y que la excitación a 360 nm causa la excitación

de polienos que constan de 5 a 7 insaturaciones conjugadas. Ambas excitaciones se aplicaron a

las muestras obtenidas por degradación isotérmica, los resultados se muestran en la Figura 85

para la atmósfera de aire y Figura 86 para la de nitrógeno.

En todas las gráficas se incluyen la fluorescencia del polímero sin degradar y dos de los

puntos de muestreo (el segundo y el último), los cuales se etiquetan de acuerdo al tiempo que

duró su degradación en minutos. Estas evaluaciones tienen una ventaja, la misma que posee el

análisis por FTIR presentado anteriormente: el resultado corresponde a la respuesta de la muestra

degradada en su totalidad y no solamente a la parte soluble (la fracción insoluble se debe al

entrecruzamiento que sucede durante el calentamiento). En ambos métodos se sometió a

evaluación la muestra en polvo sin ninguna dilución, sin embargo, dado que la respuesta está en

función de la morfología superficial de la muestra (la cual depende de factores como área

105

Discusión de resultados

superficial, cantidad de material, el empacamiento y principalmente el efecto que le derive el

proceso de degradación aplicado) dicho resultado no está en función de la concentración, por lo

que la escala de las abscisas es útil solamente para efectos de comparación entre los mismos

materiales.

1000 PVCCom 20 PVCMet 160°C 20

0 360800 10

280

j

10 360

600 60 7 0

1 400 30 280

200

1000 4° 40

10 10 170° C

800 280

20

20 20 0

i 600

400

- 280

200

0

1000 12 80 1 C

800 280

600

. 400 360 -

20o 280

300 350 400 450 500 550 300 350 400 450 500 550 Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm)

Figura 85. Espectros de Fluorescencia de los materiales sometidos a diferentes tiempos y temperaturas

de degradación (mm) en aire a 280 y 360 nm de excitación (negro, azul y rojo en orden de tiempo

ascendente)

106

Discusión de resultados

1000 PVCCom 30 60

1 J9/ 60 800 360

600 D 15

p400

200 280

1000 360

800 20 20

600 40

400

200 280

1

1000 lo 20

800 10

600 15

400 360

200

0

300 350 400 450 500 550 Longitud de onda (nm)

300 350 400 450 500 550 Longitud de onda (nm)

Figura 86. Espectros de Fluorescencia de los materiales sometidos a diferentes tiempos y temperaturas

de degradación (mm) en nftrógeno a 280 y 360 nm de excitación (negro, azul y rojo en orden de tiempo

ascendente)

Se observa que el espectro de emisión del PVC Com sin degradar obtenido por excitación

a 280 nm tiene solamente una banda ubicada a 310 nm, esta ha sido anteriormente señalada92

como producida por grupos carbonilos unidos permanentemente a la cadena, lo cual es acorde a

los iniciadores de tipo peróxido utilizados para producir este material, mientras que el espectro

de emisión obtenido por excitación a 360 nm no reporta ninguna banda. Una vez iniciada la

degradación, la emisión por excitación a 280 nm resulta en dos bandas pronunciadas, una a 380 y

107

Discusión de resultados

otra a 410 nm, indicando la presencia de polienos de 3 dobles enlaces conjugados,93 la emisión

por excitación a 360 nm resulta a su vez en dos bandas pronunciadas, una a 440 y la otra a 465

nm (y un hombro a 415 nm), señalando la existencia de polienos de 5 a 7 dobles enlaces

conjugados.94 Por otro lado, tanto el espectro de emisión obtenido por excitación a 280 nm, como

el obtenido por excitación a 360 nm del PVC Met, sin degradar, muestran cada uno una banda

bastante pronunciada, el primero a 375 y el segundo a 414 nm, los cuales permanecen y se

definen a medida que transcurre la degradación.

Lo anterior significa que la muestra comercial de PVC se encuentra sin dobles enlaces

conjugados, los que se producen una vez que se somete el material al calor, mientras que el PVC

Met tiene polienos cortos (3 unidades) y largos (5-7 unidades) desde el momento en que se

obtiene. La probable razón de lo anterior es debido a que la solución en que se vacía el sistema de

reacción contiene 1% de HC1, el cual puede interaccionar con el polímero e inducir el fenómeno

zipper, y/o debido a que el sistema catalítico interacciona con los cloros de la cadena en

crecimiento y produce insaturaciones aisladas,56 que posteriormente crecen debido al ácido

presente en el metano!. Lo anterior está en concordancia con los resultados del índice de dobles

enlaces (Figura 82), que señalan una mayor existencia de insaturaciones en el PVC Met desde el

inicio y durante toda la degradación. Es necesario señalar también la diferencia drástica entre los

espectros obtenidos para cada material, lo que significa que los polienos no son los mismos, con

excepción de la banda obtenida por excitación a 360 nm en el PVC Met, que se encuentra a la

misma longitud de onda (440 nm) que el hombro del espectro producido por excitación a 360 nm

en el PVC Com, probablemente debido a que son exactamente la misma estructura de

insaturaciones en conjugación.

Un elemento interesante a observar en las figuras anteriores es el desplazamiento del

máximo del espectro de emisión conforme se desarrolla la degradación, un desplazamiento

positivo significa el crecimiento del polieno en mas insaturaciónes, uno negativo significa la

pérdida de dobles enlaces. Para percibir este fenómeno se construyeron gráficas que representan

dichos máximos, estas se presentan en la Figura 87.

Se aprecia inmediatamente la diferencia de longitud de onda en los puntos máximos entre

cada uno de los materiales, mientras que el PVC Com tiene los primeros puntos alrededor de 380

y 435 nm, el PVC Met los tiene alrededor de 375 y 410 nm. En ambos materiales la aplicación de

atmósfera de nitrógeno provoca que en general estos puntos máximos se desplacen con el tiempo

Discusión de resultados

de degradación, mientras que la atmósfera de aire limita este crecimiento para el PVC Com, el

cual permanece en su valor, mientras que el PVC Met sufre un crecimiento de polienos de 5 a 7

unidades y una reducción de polienos de 3 dobles enlaces conjugados.

PVC Com Aire PVC Met Aire

440 440

430 430 •

420 [iC:. 170°C: A 180°C : + I.S420 1

410 Negro:Exc4acióna28Oflrn -60 410

• e 400 400

390 u 390

380 + £ 380i

370 370 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20

Tiempo de degradación (mm) Tiempode degradación (mm)

PVC Com Nitrógeno 440

PVC Met Nitrógeno

440

430: 430

420 420

410 410

400 400

39O ' 390

380 1 380-------------

A

370 370

- 10 Tiempode degradación (mm) Tiempode degradación (mm)

Figura bi. i-UfltOS maximos ae los espeuuus ue iiiuiuii

Lo anterior significa coherencia con la teoría de que la atmósfera inerte permite el

crecimiento de insaturaciones, mientras que el aire juega un papel ambivalente dependiendo del

origen del material y consecuentemente de la estructura molecular que cada uno de éstos

presenta.

VI.1 1FRACCIÓN INSOLUBLE Y PESOS MOLECULARES

Durante el proceso de degradación, las cadenas moleculares sufren rupturas yio

entrecruzamiento debido a los dobles enlaces formados, como se había mencionado en el capítulo

anterior; esto produce que la muestra tratada se divida en dos fracciones: una soluble y otra

109

4

Discusión de resultados

insoluble (geles), las cuales se pueden comportar de manera muy distinta individualmente.95 El

monitoreo de ambas es un indicio de los fenómenos citados y su correlación con otras

evaluaciones puede dar a conocer información sobre el proceso liberación de ácido-formación de

polienos-entrecruzamiento. El porcentaje de gel producido se observa en la Figura 88.

pvc ComenAire 4 pvc MetenAire

1.5 1.5

Tiempo de degradación (mm) Tiempo de degradación (mm)

PVC Com en Nitrógeno PVC Meten Nitrógeno 4

Tiempo de degradación (mm) Tiempo de degradación (mm)

Figura 88. Porcentajes de gel de las muestras aegraaaaas

En la Figura 84 los resultados del porcentaje de entrecruzamiento son difíciles de seguir,

principalmente por los valores bajos obtenidos, aunque si se aprecian comportamientos generales:

el PVC Comercial produce mayor entrecruzamiento según se incrementa la temperatura, mientras

que por el contrario, el PVC Met con metalocenos causa mayor entrecruzamiento a la menor

temperatura de degradación. El efecto se produce en ambos casos sin importar la atmósfera

aplicada, demostrando que este proceso no es dependiente de dicho factor. El recuadro C de dicha

figura es el único que muestra resultados secuenciales a lo largo de la temperatura utilizada,

donde el entrecruzamiento se incrementa hasta el penúltimo muestreo, estado en el cual se liberó

110

Discusión de resultados

la mas alta cantidad de HC1 de acuerdo al método de degradación, para luego caer ligeramente.

Lo anterior se relaciona con la teoría de la liberación de ácido clorhídrico, en la cual dicho

proceso produce polienos, que a su vez provocan entrecruzamiento; mientras que algunas de las

estructuras creadas en esta transformación no se entrecruzan y se desprenden luego en forma de

compuestos aromáticos; aunque este planteamiento no se puede generalizar con las tendencias

observadas.

Por otro lado, el hecho de que el entrecruzamiento sea mayor a temperaturas mas bajas

para el caso del PVC Met y lo inverso para el PVC Com se encuentra coherente con los

resultados obtenidos por Luminiscencia, los cuales establecen que el primero tiene desde el inicio

una cierta cantidad detectable de dobles enlaces, mientras que el segundo no los tiene.

-

Aparentemente estas insaturaciones favorecen el entrecruzamiento de cadenas a 160°C y el

aumento de éstas induce obviamente otros procesos alternos (ruptura, back-biting) los cuales

disminuyen la fracción insoluble obtenida. En todos los casos es importante establecer que la

cantidad máxima de entrecruzamiento alcanzado es de 4% en peso, esto es debido probablemente

a que las temperaturas aplicadas no son lo suficientemente altas para provocar mayor

entrecruzamiento.

Contrario a lo mostrado por los resultados de gel, la Figura 89, correspondiente a los

pesos moleculares e índice de Polidispersidad, da a conocer comportamientos específicos

definidos y congruentes. En primera instancia hay dos observaciones generales que se deben de

valorar: la primera es que mientras el peso molecular del PVC Com sin degradación es de

alrededor de 90,000 glmol, mientras que el del PVC Met sin degradación es de alrededor de

23,000 g!mol, como se había ya establecido en la Tabla IV, por lo que las comparaciones directas

en cuanto a pesos moleculares son prácticamente inútiles. La segunda observación es que las

líneas de los índices de polidispersidad obtenidos (en gris) aparecen generalmente como líneas

especulares de los pesos moleculares obtenidos.

En el recuadro A de la Figura 89 (correspondiente a la degradación de PVC Com en aire)

se observa que en las tres temperatura de degradación el peso molecular promedio numeral (Mn)

disminuye drásticamente al segundo muestreo de la degradación, para luego subir y recuperar

casi el mismo valor inicial, mientras el índice de polidispersidad (IP) aumenta al segundo

muestreo y vuelve a disminuir ligeramente al final. Esto puede ser debido a que la

dehidrocloración produce ruptura de cadenas poliméricas (lo que aumenta la distribución de

111

o o 10 20 30 40 50

Tiempo de degradación (rrin)

vc comen Niógeno

Tiempo de degradación (rni

vc Meten Niógeno

PVCComenaire 100

80

60

i ' 40

20

4

25

30

3 20

. vc Meten Aire

Discusión de resultados

pesos moleculares), las cuales posteriormente pueden sufrir entrecruzamiento sencillo de dos o

más de ellas, disminuyendo así el IP. Al modificar la atmósfera a un medio inerte se obtienen dos

disminuciones de peso molecular, al momento del primer muestreo y al tercero, con aumento de

la propiedad en el segundo y cuarto muestreo. Igualmente algo muy cercano ak reflejo del peso

molecular Mn en un espejo se obtiene al observar el índice de polidispersidad, lo que da pie a

pensar que suceden dos pasos de dehidrocloración, uno a tiempo corto y otro a tiempo largo.

20 40 Tiempo de degradación (rrín)

4 30

25

3 H20

15

2 10

5

1 0

60 0

4

3

a.

2

20

4

3

a.

-. -. 2 -.- 160°c

-- 170°c

D ------•- 1

10 20 30 40 Tiempo de degradación (rrón)

100

80

60

' 40 c

20

Figura 89. Pesos moleculares e índices de Polidispersidad

El recuadro B, correspondiente al PVC Met degradado en aire, es el más estable, su peso

molecular disminuye ligeramente al primer y segundo muestreo, para subir lentamente hasta el

cuarto muestreo, pero a 180°C esta propiedad tiene disminuciones constantes sin recuperarse. Su

índice de polidispersidad tiene un parecido menor al peso molecular, en comparación a la imagen

de espejo de los demás recuadros, pero si parece tener la misma relación; estos resultados indican

que a 160 y 170°C existe muy poca ruptura de cadenas, seguido de poco entrecruzamiento

112

Discusión de resultados

simple, mientras que a 180°C solamente se da la ruptura de cadenas en una forma mas intensiva.

La modificación de la atmósfera a nitrógeno produce un comportamiento sorprendente, el primer

muestreo permanece con el mismo peso molecular, seguido de un aumento, luego una

disminución y por último un aumento pequeño, aunque esto es casi invisible a 160°C, al final de

la degradación a 170°C se obtiene casi el mismo peso inicial y a 180°C se obtiene uno mayor.

Nuevamente el IP muestra una imagen de espejo casi perfecta. Este asombroso comportamiento

parece estar de acuerdo con la deducción del recuadro C y D, que asumen dos etapas de

dehidrocloración, pero en este caso el muestreo inicial no da señales de ruptura de cadenas como

en el recuadro mencionado, pero sí muestra un ciclo de entrecruzamiento-ruptura-

entrecruzamiento que parece estar influenciado por las dos etapas sucesivas de liberación de HCI.

Estas dos etapas sucesivas de liberación de ácido clorhídrico pueden ser encubiertas al momento

de introducir oxígeno al medio ambiente, el cual puede inducir otros procesos que compitan o

inhiban la segunda ruptura de cadenas.

VI.14 DEGRADACIÓN DINÁMICA

El comportamiento degradativo del PVC puede ser estudiado también a través del análisis

termogravimétrico, el cual, a diferencia de la degradación isotérmica desarrollada en el capítulo

VII, es termodinámica (cuenta con una rampa de calentamiento), además de que la muestra no

puede ser caracterizada al final de la degradación debido a que es llevada a la carbonización casi

total. Sin embargo, el resultado obtenido (la pérdida en peso a medida que aumenta la

temperatura) es muy útil para conocer la capacidad del material para resistir a la temperatura; en

el caso de esta investigación, es necesaria la comparación entre un material comercial y el

producido con el catalizador metalocenos.

En la Figura 90 se muestran los termogramas de ambos materiales, así como la derivada

obtenida de la línea resultante, en atmósfera de nitrógeno y oxígeno, a una rapidez de

calentamiento (rampa) de 20°C/mm, que es la convencional para este tipo de análisis.

Resulta evidente que ambos materiales sufren una degradación mas rápida en oxígeno que

en nitrógeno, mostrando la aceleración esperada de la introducción de ambiente oxidativo a la

cámara de degradación; asimismo, en ambos casos se observan dos secuencias de pérdida en

peso, de las cuales la primera se adscribe a la pérdida casi total de los átomos de cloro presentes

113

Discusión de resultados

en el material en forma de ácido clorhídrico, (lo cual resulta en la formación de polienos) además

de productos aromáticos, principalmente benceno96 y la segunda se vincula a la descomposición

de los polienos formados durante la primera etapa de degradación. La derivatización de las líneas

de pérdida en peso, conforme aumenta la temperatura, resulta en señales por demás interesantes.

PVCCom 100 1.8 ..

1.6 80 02 1.4

N2 1.2

Q) ta>UU 1

c a) (

0.8c 40-

0.6

0.2

200 300 400 500 600

Temperatura (°C)

PVC Met 100 .....

. ......... . 1.6

°'.' 02 N2 1.4

a> 12°

(.0 60

a) 0.8

, 40 72 0.6°' .a)

20 0.4

0.2

O o 200 300 400 500 600

Temperatura (°C)

Figura 90. Termogramas de PVC Com y PVC Met en oxígeno (02) y nitrógeno (N2)

En todos los casos se obtienen dos picos para cada proceso total, de los cuales los puntos mas

altos significan la máxima rapidez de pérdida en peso según sea el caso. Nuevamente se observa

que estos máximos se desplazan a temperaturas mayores si la atmósfera aplicada es nitrógeno,

mientras que sucede lo opuesto con la atmósfera oxidativa. Lo anterior significa que la

114

Discusión de resultados

agresividad de ésta estimula la degradación introduciendo procesos de descomposición, lo cual es

comprensible, si se recuerda que para la reducción por incineración de los compuestos orgánicos

a dióxido de carbono y agua, se requiere la presencia de suficiente cantidad de oxígeno, o de lo

contrario se obtienen residuos carbonosos (cenizas), producto de una mala combustión; esto ha

sido observado con anterioridad,18 aduciendo interacción directa entre el oxígeno y la cadena de

polímero en combustión.

Por otra parte en el caso del PVC Com, el primer pico de la derivada que corresponde a la

pérdida mayoritaria de HCI tiene un hombro sobrelapado a la derecha, que posiblemente

corresponde a un subproceso de liberación de productos, mientras que el PVC Met no tiene

ningún hombro. A este fenómeno se le han dado diversas explicaciones: Marcilla y Beltrán97

opinan que este primer estado de descomposición está compuesto de dos procesos paralelos, la

liberación de HC1 que produce secuencias de dobles enlaces conjugados (primer pico), lo que

permite que se inicie la formación de aromáticos (benceno, naftaleno y antraceno) que se liberan

junto con el HC1 (hombro sobrelapado). Esta no es la única explicación que exponen dichos

autores, un análisis de bibliografia da pie para suponer que estos picos de derivada sobrelapados

pueden ser producto de dos diferentes conformaciones de átomos de cloro, de las cuales una tiene

mayor resistencia a dejar la cadena poliménca que la otra.98 Al mismo tiempo Miranda96 y

colaboradores publican la posibilidad de que estos dos picos corresponden a dos formas de enlace

del monómero durante la polimerización, ya sea cabeza-cola ó cabeza-cabeza, de las cuales la

última tiene una resistencia menor a la degradación, por lo que el primer pico correspondería a la

liberación de ácido resultante de la activación de las conformaciones cabeza-cabeza y el segundo

a la activación de las conformaciones cabeza-cola. Debe mencionarse que las áreas de los picos

obtenidos no están relacionados directamente con la cantidad de cada una de las conformaciones

en la cadena principal, sino más bien como equivalentes a la cantidad de átomos de cloro que son

capaces de remover cada una de las conformaciones debido a su baja estabilidad frente a la

temperatura.

Ya sea cualquiera de estos tres procesos propuestos, o una mezcla de ellos, el hecho de

que el hombro tienda a desaparecer si la atmósfera aplicada es oxígeno, significa que esta

molécula afecta a ambos procesos en competencialparalelos, lo que permite establecer que los

dos son de una naturaleza muy similar. Nota adicional: los dos picos sobrelapados así como un

solo pico en la derivada obtenida durante un análisis termogravimétrico de PVC ya han sido

115

Discusión de resultados

publicados para un solo material,99 donde mencionan que la pirólisis de 10 mg produce los

primeros, pero si esta cantidad se reduce a 2 mg se produce el segundo. En el caso de esta

investigación se introdujeron a la balanza 10± 0.5 mg.

Con la idea de identificar el efecto del oxígeno en la degradación dinámica se utilizaron,

además de la atmósfera de nitrógeno y oxígeno saturado, una mezcla de ambos N2/02 1/1 y

también aire - N2/02 =79/21 en volumen, los resultados se presentan en la Figura 91.

PVC Com - 100 - - - -- 1.8

1.6

80 N2/02=1/1 1.4

1.2 60 Aire -1 CL

0.8 - 40 0.6

0.4 20 0.2

O O 200 300 400 500 600

Temperatura (°C)

PVC Met 1.8 100

1.6

80 N2/02=1I1 Aire 1.4

120

1

0.8 40

0.6

0.4 20

0.2

O O 200 300 400 500 600

Temperatura (°C)

Figura 91. Termogramas de PVC Com y PVC Met en mezclas de oxígeno y nitrógeno

No se observa la deconvolución del primer pico de la derivada, correspondiente a la

pérdida de ácido clorhídrico (generalmente en dos picos), en la mezcla de N2/02 = 1 / 1, ni tampoco

116

Discusión de resultados

en aire, donde la presencia de nitrógeno es mayoritaria. Esto significa que la presencia de

oxígeno, aún en cantidades mínimas influye en la desaparición de los dos picos para dar como

resultado solo uno. Los picos de las derivadas del PVC Met nuevamente tienen temperaturas

mayores que los picos del PVC Com, tal y como se observa en la Figura 86, de igual manera, la

presencia de oxígeno tiende a desplazar el termograma obtenido hacia temperaturas menores y

pérdidas en peso ligeramente mayores, con lo que se establecen dos supuestos: 1: el PVC Com

siempre tendrá ubicados su primer pico de derivada a temperatura menor al PVC Met al

someterlos a las mismas condiciones, 2: a mayor presencia de oxígeno la degradación se inicia de

manera mas rápida y extensiva independientemente del material probado.

A diferencia de la degradación isotérmica, la atmósfera oxidativa en el presente análisis

permite una liberación mayor de ácido clorhídrico (acompañado de aromáticos), mientras que el

nitrógeno permite una liberación un poco menor, aunque esta diferencia bien puede deberse a que

en la presencia de oxígeno la incineración de este material produce dioxinas,83 y/o al hecho de

que dicha presencia produce peróxidos, Estos pueden reaccionar con los polienos ó atacar la

cadena, llevando a una pérdida secundaria de HC1. De cualquier manera, el PVC Met tiene

pérdidas menores que el PVC Comercial en ambos casos, posible indicativo de una mayor

resistencia a la degradación térmica.

A los procesos que implica la pirolisis de PVC se le han dado varias reacciones generales,

se presentan enseguida las más difundidas:84

1.- Contemplando dos estados de descomposición correspondientes a los dos picos:

G

PVC

G'

<RS RS' Primera pérdida Segunda

pérdida

En donde G y G' corresponden a los gases liberados y RS y RS' a los residuos obtenidos tras

cada pérdida. Este modelo omite los procesos en competencia/paralelos que suceden durante la

primera pérdida en peso resumiéndolos en uno solo.

117

Discusión de resultados

2.- Contemplando dos estados de descomposición correspondientes a los dos picos, de los

cuales el primero se compone de dos procesos:

HCI

PVC

< PVC : G! RS <

Primera k, -

pérdida Segunda pérdida

En donde G representa la liberación de aromáticos y RS el residuo obtenido en la primera

pérdida, G' es la liberación de mas productos aromáticos y RS' el residuo final. Este modelo

demuestra ser el más cercano a la realidad, por lo que se supondría que se puede aplicar a ambos

materiales.

La reducción de la rapidez de calentamiento (rampa) bajo atmósfera inerte es capaz de

resolver o separar totalmente los dos primeros picos sobrelapados que se obtienen en el caso del

PVC Com y de mostrar la correspondiente banda escondida del PVC Met, en caso de que exista;

además dicha disminución gradual de la rampa permite obtener resultados que pueden ser

utilizados, después, para encontrar la energía de activación (Ea) y demostrar de esta manera que

material es superior en su estabilidad. Conjuntando de esta manera dos propósitos en un diseño

de experimentos, se aplicaron rampas de 2, 5 10, 15 y 20'C/min a la pirólisis de ambos materiales

bajo flujo de nitrógeno, (se ha comprobado que este flujo resuelve y separa mejor las líneas

obtenidas que aire y oxígeno'00' 101) además de los flujos de oxígeno, aire y N2/02 =1/1 las

gráficas resultantes se muestran en la Figura 92 para el PVC Com y Figura 93 para el PVC Met.

En todos los casos de estudio, al disminuir la temperatura de calentamiento de 20°C a

15°C se observa que la última se coloca a una temperatura ligeramente inferior que la primera, lo

mismo sucede al disminuir esta rampa a 10, 5 y 2°C. De acuerdo a lo reportado,19' 96, 97

teóricamente la razón es que al aumentar éste parámetro las reacciones de descomposición se

aceleran y se produce una competencia entre ellas. Esto se confirma al observar las derivadas

obtenidas en la degradación del PVC Com en nitrógeno, al tiempo que las líneas se desplazan a

temperaturas menores el pico se hace mas agudo y el hombro sobrelapado a su derecha se reduce

118

Discusión de resultados

y define mejor, aunque esta separación deja de suceder una vez que el oxígeno se incluye en la

cámara de degradación.

2.4 Nitrógeno

2 2C/min 20C/min

1.6

1.2

g 0.8 o

0.4

o 200 300 400 500 60

Temperatura (CC)

2.4 Aire

2 2°C/mm 20°C/mm

1.6

¡1.2

0.8

0.4 ________

200 300 400 500 60

Temperatura (°C)

2.4 N2102=1/1

2 2°C/mm 20°C/mm

1.6

200 300 400 500 600 Temperatura (°C)

2.4 Oxigeno 2°C/mm 20°C/mm

1.6

0.8 o

200 300 400 500

67 Temperatura (°C)

Figura 92. Termogramas TGA de¡ PVC Com y sus derivadas a 2, 5, 10, 15 y 20°C/mm (colores café, azul,

verde, rojo y negro en el mismo orden)

119

Nitrógeno 1.6

1 2 2°C/mm 20°C/mm

B 0.8

OA-

200 300 400 500 Temperatura (0)

N2/02=1/1 1.6

2°C/mm 20°C/mm

OA-

200 300 400 500 601 Temperatura (°C)

Discusión de resultados

Figura 93. Temiogramas TGA del PVC Met y sus derivadas a 2, 5, 10,15 y 20°C/mm (colores café, azul,

verde, rojo y negro en el mismo orden)

120

Discusión de resultados

Las derivadas de la pirolisis del PVC Met también se desplazan hacia temperaturas

menores, pero en ninguna de las líneas obtenidas se perfila algún hombro proveniente de un pico

sobrelapado, lo cual significa que a diferencia del material comercial, muy seguramente la

pérdida de HCI se efectúa por un solo mecanismo de degradación, independientemente de la

atmósfera aplicada. Zheng78 y colaboradores encontraron en su investigación que la influencia de

la atmósfera aplicada es decisiva en la dehidrocloración del PVC, afirmando que la secuencia de

menor a mayor resistencia es: oxígeno, aire, hidrógeno, nitrógeno y agua, lo que se ajusta

perfectamente a lo observado en las cuatro Figuras anteriores, donde a mayor inclusión de

oxígeno se genera una temperatura de iniciación de pérdida de HCI mas baja.

En la Tabla VI se pueden observar los porcentajes de la primera pérdida de material según

la atmósfera introducida, la variación mostrada es debido a las rampas empleadas.

Tabla VI. Porcentajes de la primera pérdida en peso de los materiales caracterizados según la

atmósfera aplicada a la cámara de degradación

Primera pérdida en peso (%)

PVC Com PVC Met

Nitrógeno 64.5 ± 1.5 57 ± 3.0

Aire (N2/02 79/2 1) 64.5 ± 0.5 57 ± 2.0

N2102=1/1 64±1.0 58±1.0

Oxígeno 64.5 ± 1.0 59± 1.0

Estos números obtenidos dan a conocer, que si bien la atmósfera influye contundentemente sobre

la temperatura de inicio de la degradación, no tiene una influencia catalítica o sinérgica sobre el

peso perdido durante la primera etapa de pérdida de HCI. Aún mas interesante es la diferencia

promedio de 5 a 8% entre ambos materiales y las diferentes atmósferas, siendo el PVC Met el

que pierde menos durante todos los experimentos, introduciendo la posibilidad de que contenga

conformaciones carbono-cloro mas resistentes a la temperatura que el PVC Com. En esta

discusión cabe notar que el PVC pierde normalmente —64% de su peso,96 del cual alrededor de

57% es HCI (el total si se calcuta de manera estequiométrica) y el resto de hidrocarburos (7%),

esto se ajusta muy bien a los resultados del PVC Com pero no así a los del PVC Met, que pierde

menos que esto.

121

Discusión de resultados

En el estudio de las propiedades térmicas de mezclas de Poli(cloruro de vinilo)/Polietileno

dorado (PVC/CPE)'°2 se observa un fenómeno que puede esclarecer el comportamiento de las

derivadas de las pérdidas en peso obtenidas, este se ilustra en la Figura 94.

(a)

1-100.0

2-90110

3 - 8020

4 - 70/30

5-SU/Mi

7 6-30/70

\ \'N6 ............ 7.Q/j()()

2 .........

IIR 2.5Cinin

....................

50 150 250 350 450 550 650

Tcmperiture. T /

- .- - (b)

W.

50 150 250 350 450 550 650

Temperature. T / C .-. s102

rlyu,d '+. 1 ¡ l l luyi di l idD 1 '.F- y ouD UIIVøUø ur, uli,iø r v¼,,¼,rL

Debido a que los autores utilizaron cantidades muy pequeñas en el análisis (2 mg) el

PVC muestra solamente un pico en la derivada sin ningún hombro a su derecha, (en las páginas

lOO

80

60

40

122

Discusión de resultados

anteriores se habló ya sobre el efecto de la cantidad de muestra sobre el pico de derivada

obtenido). El mezclado de éste con CPE eleva un poco la temperatura del pico, así hasta que la

mezcla llega a ser 50/50 en peso. En la derivada de este termograma se alcanza a distinguir,

además del pico principal, otro mas amplio en su parte derecha, que se define mejor en la mezcla

30/70, para finalmente quedar solo este pico en la derivada del termograma correspondiente al

CPE individual. Es evidente (y así lo afirma la publicación) que el pico angosto a la izquierda

corresponde a la pérdida de HCI del PVC, mientras que el pico amplio de la derecha a la pérdida

de HC1 del CPE. En esta discusión es útil saber que el CPE utilizado tiene un contenido de cloro

de 42 % y el PVC 57% (cálculo estequimétrico), lo que significa que una de las causas de la

resistencia a la degradación del CPE es su contenido menor de átomos de cloro, o en otras

-

palabras, una mayor distancia entre dichos átomos dentro de la cadena hidrocarbonada, que la

que se tiene en el PVC.

Las mismas ideas se redactan en la conclusión de dicho artículo: ". . .mas allá del parecido

químico de los polímeros, sus mecanismos de degradación y estabilidad térmica son diferentes, lo

que es consecuencia de las diferencias en la microregularidad de las cadenas poliméricas. .,"° ,,

.La dehidrocloración de PVC es una reacción autocatalítica rápida, en contraste a la

dehidrocloración de CPE, la cual es una reacción de eliminación de HC1 aleatoria y lenta..

(sic). En la segunda parte de este artículo'03 se concluye además que "...el PVC y el CPE tienen

diferentes mecanismos de degradación, y el mecanismo de degradación de la mezcla de

polímeros depende de su composición. .

Por otra parte, dichos autores103 mencionan también que "...el HC1 desprendido del PVC

tiene una influencia autocatalítica en la posterior degradación del polímero, mientras que el HC1

desprendido del CPE no muestra tal efecto..." y ". . .al incrementar la relación de masa de CPE,

en la mezcla se incrementa también la estabilidad termooxidativa. . .". En síntesis, esto denota que

los dos picos de derivada obtenidos durante la primera pérdida indican dos conformaciones de

cloros totalmente diferentes, una débil que pierde rápidamente éstos átomos y otra que los pierde

más lentamente.

La diferencia de 14% de abundancia en cloro entre los materiales analizados en dichos

artículos,102' 103 da pié a pensar en la posibilidad de que otro factor, además de la distancia entre

tales átomos, es el responsable de la diferencia en resistencia a la degradación. Este(os) podría(n)

ser la ausencia de dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada, la ausencia de cloros terciarios

123

Discusión de resultados

(ramificaciones) y/o la ausencia de cloros alílicos intermedios o finales, de cualquier manera esto

debe ser confirmado a través de un estudio mas profundo y dirigido en las mezclas PVC/CPE

modificando algunas condiciones.

Por otra parte, en la presente investigación se advierte también que los picos de las

derivadas correspondientes a la pérdida de dicho ácido, se desplazan dentro de un cierto intervalo

según se modifica la rampa, por lo que se graficaron y se obtuvo la Figura 95, que se incluye

enseguida.

En esta Figura la presencia de oxígeno se incrementa en el sentido de las manecillas del

reloj y empieza en la esquina superior izquierda, marcada como Figura 95A, que es la gráfica de

los puntos de las derivadas obtenidas bajo atmósfera de nitrógeno; en esta cabe mencionar que se

obtuvo el máximo de la derivada del hombro junto al pico principal a través de un proceso de

deconvolución aplicado por el programa PeakFit.

Nitrógeno

330

: 290 J.PVCC0m(lerpico)1

270 y= 2.3574x + 277.68 ,PVCC0m(2opico)

L_a PVCMet 250

0 5 10 15 20J

Rampa de calentamiento (C/min)

Oxígeno

Aire

350 1 y = 1 7.744Ln(x) + 283.32 R2 =0.9976

330

310

290 22.6221-n)+248.76

270 •PVCCom

CL aPVCMet

250

0 5 10 15 20

Rampa de calentamiento (G/min)

N2/02= 1/1

350 PVCC0m

&Pvciet

330 y=13.2531-n(x)+281.87 R2 = 0.9748

310

4iEflX~2.S4 R290 E

250

0 5 10 15 Rampa de calentamiento (CImin)

350 •PVCC0m o

APVCMet

330 Y= 13.7931-n(x)+286.96 £

310

R

E

290

:::

i=21.365Ln(x);249.75

250

0 5 10 15 20 20,

Rampa de calentamiento (°C/min)

Figura 95. Puntos máximos de la Derivada de pérdida de HCI en TGA

124

Discusión de resultados

En ésta se observa que el pico de la derivada de los termogramas del PVC Com, junto con

el pico correspondiente al hombro muestra un desplazamiento lineal conforme se modifica la

rampa de calentamiento, mientras que el pico de la derivada de los termogramas del PVC Met

tiene un comportamiento logarítmico y se encuentra entre las dos líneas anteriores. Al modificar

la atmósfera a aire —Figura 95B- ya no existe hombro en la derivada de los termogramas del PVC

Com, y en lugar de eso queda una línea logarítmica, semejante a la del PVC Met, y la separación

que existe entre estas es de —20°C. Con el aumento de la fracción de oxígeno —Figura 95C- las

líneas siguen teniendo la misma forma, pero ahora se juntan en el extremo de máxima rampa de

calentamiento utilizada —la diferencia ahora es de 17°C- y la atmósfera de oxígeno -Figura 9513-

junta aún mas estas dos líneas por el mismo extremo, mostrando solo 3°C de diferencia del PVC

Met sobre el PVC Com. Otro comportamiento secuencial observado también es que una vez que

son logarítmicas ambas líneas tienen una tendencia a disminuir en el punto máximo de la

derivada, confirmando el hecho de que a mayor presencia de oxígeno se obtiene un inicio más

temprano de degradación.

Las Figuras 95 y 92 muestran que el PVC Com tiene 2 pasos de liberación de HC1,

siempre y cuando se encuentre en atmósfera inerte. Una vez incluido el oxígeno, los dos pasos se

convierten en uno, la comparación de estos dos pasos en la Figura 94 parecen ser evidencia de 2

conformaciones carbono-cloro, de las cuales una es más débil que la otra. Por otro lado, las

Figuras 95 y 93 señalan que el PVC Met tiene solamente un tipo de estructura carbono-cloro, mas

resistente que las del PVC Com, aunque el hecho de que en la Figura 95A los máximos de la

derivada de éste material sean de 10 a 20°C mayores que los del PVC Met debe ser investigado a

fondo para precisar este efecto.

El estudio mostrado en las Figuras 92 y 93 permitió obtener la energía de activación para

cada material que aquí se analiza de acuerdo a la norma ASTM E 164 1-94, los resultados se

muestran en la Figura 96.

Nuevamente, la presencia de oxígeno se incrementa en el sentido de las manecillas del

reloj, iniciando en la esquina superior izquierda, donde se presentan las líneas obtenidas para

calcular la energía de activación (Ea) bajo atmósfera de nitrógeno. Estas energías de activación

obtenidas se grafican ahora en la Figura 97, que simplifica ésta anterior.

La energía de activación es de 166 kJ/mol para el PVC Com cuando la atmósfera de

análisis es nitrógeno, pero disminuye al modificar ésta a aire, para estabilizarse después a 116

125

Discusión de resultados

kJ/mol. Por otra parte, el PVC Met tiene una Ea de 116 kJ/mol al efectuar su degradación en aire,

pero aumenta a 135 kJ/mol al introducir una fracción de oxígeno al sistema de degradación, sin

embargo la presencia completa de oxígeno disminuye esta energía a 120 kJ/mol.

1.4 Nitrógeno 1.4 - .ire

1-2 1.2 PVC Com

PVC Com R2 9985

PVC Com 0.8

PVC cm j:+143:9 1268T1 0

0.6 ÁPVC PVC Met 0.4 1

04 . R2 0.9994 02 R2 = 0.9839

Ea (5%) = 115.8 kJ/mol Ea (5%) 134.61 kJ/mol

02 O ..... -. ........... .-- .

0.0017 0.00175 0.0018 0.00185 0.0019 0.001951 0.0017 0.00175 0.0018 0.00185 0.0019 0.00195

1/Temperatura (OK) 1/Temperatura (°K)

1.4 Oxígeno 1.4

£ PVCCom 1.2 1.2

y=-6507.3x+ 12.882 ;:6

\

N^2/02=111

13C131

ol 85 kI Vmo

Me\ :

(5%) 1 18 78 kmm

1: Ct -

1 PVC Met \ \ i y = -7498.2x + 14.47 y = -6710.6x+ 13.117 \ \ R2 = 0.9972

0.4 - R2 = 0.9954 \ \ 0.4 Ea (5%)= 134.67kJ/mol

Ea (5%) = 119.47 kJ/mol \

0.24......... 0.2 ...............

0.0017

- -----------__._

0.00175 0.0018 0.00185 0.0019 0.00195 0.0017 0.00175 0.0018 0.00185 0.0019

1/Temperatura (°i<) 1/Temperatura (°K)

0.00195

Figura 96. Gráficas de Arrhenius para la Energía de ActivaclOn ai b'7o ae conversion oe los polimeros

analizados

Es evidente la acción individual de cada gas utilizado, el nitrógeno demuestra que, tal y

como se vió en la degradación estática, el PVC Met es el más débil al tener una energía de

activación mucho mas baja que la del PVC Com. Sin embargo, la inclusión de oxígeno juega un

papel ambiguo dependiendo del material, en el caso del PVC Com su Ea nunca vuelve a ser alta

una vez que éste se encuentra en la cámara de degradación, pero para el PVC Met, la presencia de

oxígeno eleva la energía de activación en mezclas de aire y N2/02=1/1en volumen a 135 kJ/mol.

Por otro lado, concentraciones mayores a éstas disminuyen nuevamente la Ea a una muy

126

Discusión de resultados

semejante a la obtenida en nitrógeno. Se sabe que el oxígeno juega un papel destructivo

importante en la incineración y los resultados del PVC Com lo confirman, pero los obtenidos por

el PVC Met mas bien parecen mostrar que una fracción de éste en la mezcla de gas produce

conformaciones estables, pero el aumento de ésta fracción ocasiona preferentemente formación

de conformaciones mas inestables que disminuyen la Ea, esto se podría probar con un análisis en

tiempo real TG-MS, que está fuera de este trabajo de investigación.

170 -

160-

o - — .— PVCCom

150 —A— PVCMet

'0 o

140-

A A

a) 130-

co 2' a)

120-

u 110 • • •

100/0 80/20 50/50 20/80 01100

Nitrógeno/Oxígeno (volumen)

Figura 97. Energías de activación de cada material según la mezcla de gas introducida.

Resulta sorprendente el descubrimiento de que aunque la forma y desplazamiento de la

línea de pérdida en peso, así como de la derivada del PVC Met, dan a entender que éste tiene una

resistencia mas marcada a la degradación que su contraparte, el análisis estandarizado de energía

de activación arroja un resultado contrario. Por otra parte, esto está acorde con los resultados

obtenidos por degradación isotérmica, aunque en ningún momento se establece o existe

correlación entre aparatos o metodología utilizados.

127

Discusión de resultados

VI.15 INTEGRACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Los resultados presentados en esta segunda parte de la investigación deben ser (tal y como

se hizo en la primera parte) conjuntados en forma de ideas generales, de tal manera que auxilien

en la construcción de un mecanismo general.

=> El método de degradación isotérmico muestra que la liberación de ácido clorhídrico

aumenta si se eleva la temperatura o si se cambia de atmósfera inerte a oxidativa

(aceleración por oxígeno).'8'78 El PVC Com tiene una resistencia a la degradación mayor

al PVC Met cuando se analizan los resultados de éste método de degradación, por otro

lado, dicha liberación se realiza en dos pasos, los cuales se traslapan según aumenta la

temperatura aplicada.

=:> El área superficial de cada polímero influye decisivamente en la rapidez de liberación de

ácido clorhídrico y por lo mismo en su degradación, siendo el PVC Met el que tiene una

resistencia menor a dicha liberación por tener un área superficial 7 veces mayor a la del

PVC Com.

= La evaluación de índice de Amarillamiento indica que ambos materiales vírgenes tienen

un valor muy semejante, el aumento en la temperatura de degradación significa un

crecimiento de dichos valores; el PVC Met muestra valores mayores que el PVC Com en

todas las evaluaciones, el antecedente de degradación en atmósfera inerte permite al

primero obtener mayores índices que en aire, esto se invierte para el segundo material,

- debido aparentemente a la diferencia en área superficial.

=:> La descomposición del color de cada muestra, en los colores primarios Rojo-Verde-Azul,

señala que ambos materiales tienen valores muy parecidos antes de iniciar la degradación,

la inclusión de aire al medio degradativo produce valores mayores de color en

comparación a la presencia de nitrógeno, indicando producción de carbonilos (grupos

cromóforos) en la cadena.

=> El Índice de Dobles Enlaces medido por FTIR indica que por lo general el PVC Met tiene

mayores valores que el PVC Com, en ambos casos, la atmósfera inerte durante la

degradación produce valores menores que la oxidativa, lo que significa que el oxígeno

además de introducirse en la cadena juega un papel activo en su dehidrocloración.

128

Discusión de resultados

=> El índice de Carbonilos, medido por FTIR, señala que el PVC Met tiene valores mucho

menores que el PVC Com, en concordancia con los párrafos anteriores, la atmósfera de

nitrógeno permite obtener, en ambos casos, valores menores que en aire, sin embargo el

-

iniciador utilizado en el segundo caso parece limitar dicho valor a un mínimo que es

mayor a los puntos máximos del primer material.

=> Los análisis anteriores arrojan dos teorías: (1) La presencia de oxígeno en el medio de

degradación genera dos reacciones en competencia, la dehidrocloración o fenómeno

zípper vs la inclusión de átomos de oxígeno en la cadena. (2) Un área superficial mayor

permite la liberación más rápida y extensiva de ácido que en una menor.

=> El análisis por Fluorescencia indica que el PVC Com no presenta insaturaciones al

momento de su obtención, mientras que el PVC Met si tiene dobles enlaces conjugados

cortos y largos; éstos no son detectables en el análisis por RMN de 'H probablemente

debido a la diferencia en sensibilidad entre los aparatos. Una vez iniciada la degradación,

estos polienos aparecen en el primer material, mientras que en el segundo se mantienen

los mismos, sin embargo, la forma del espectro obtenido revela claramente que dichos

polienos son de naturaleza totalmente diferente en cada uno de los materiales. Esto apoya

los resultados obtenidos por análisis infrarrojo, dado que la presencia inicial de polienos

en el PVC Met permite un crecimiento rápido de éstos, mostrando así mayores valores de

IDE. El seguimiento de los puntos máximos de los espectros da a conocer que los

polienos crecen ligeramente bajo atmósfera de nitrógeno y no lo hacen bajo atmósfera de

aire.

=> El análisis de la fracción insoluble indica que en ambos polímeros el entrecruzamiento no

es mayor al 4% en peso. Esto se observa sin importar la atmósfera aplicada, demostrando

su nula influencia sobre el proceso.

El análisis de pesos moleculares promedio numerales (Mn), señala que las dos etapas de

liberación de HC1 mostradas en las pruebas de evolución tienen una influencia directa en

este parámetro molecular. Si la atmósfera aplicada es inerte se provocan rupturas y

entrecruzamientos sucesivos de cadenas y si la atmósfera contiene oxígeno entonces se

provoca generalmente solo una ruptura fuerte seguida de entrecruzamiento de cadenas.

Una nota importante es el comportamiento de espejo de las curvas de índice de

polidispersidad vs las del peso molecular.

129

Discusión de resultados

=> El análisis de ambos materiales por termogravimetría da a conocer que, en general, la

degradación del PVC sucede en dos etapas, la primera corresponde a la pérdida de la

mayoría del cloro en forma de HC1 y la formación de polienos y la segunda corresponde a

la descomposición de ellos. La introducción de oxígeno, como atmósfera, acelera e

intensifica dichas pérdidas, mientras que el nitrógeno la retrasa, en ambos casos la pérdida

de ácido es menor para el PVC Met. La derivatización de las líneas de pérdida en peso

permite descubrir que la primera etapa del PVC Com está compuesta de dos subprocesos,

los cuales son paralelos y/o están en competencia, mientras que el PVC Met tiene

ausencia de subprocesos, así como una temperatura máxima de su derivada siempre

mayor al primer material.

=:> La comparación de las curvas de pérdida en peso del PVC Com, con otras de mezclas de

PVC/CPE, introducen la idea de que en la derivada obtenida, el hombro a la derecha de la

primer pérdida en peso se forma debido a la dehidrocloración de conformaciones mas

resistentes que las que forman el pico de la izquierda; el pico de la derivada de la misma

pérdida del PVC Met se encuentra muy cercano a este hombro, indicando que las

conformaciones existentes en este material son mas resistentes (y probablemente de

diferente naturaleza) que las del comercial.

Los resultados del análisis de Energía de Activación señalan que el PVC Com es mas

resistente que el PVC Met en atmósfera de nitrógeno, teniendo el primero una Ea de

165.95 id/mol contra una Ea de 115.55 kJ/mol del segundo. La presencia de oxígeno

durante la degradación disminuye drástica y definitivamente la Ea del PVC Com, no así

del PVC Met, que sufre una elevación de su Ea cuando el oxígeno se combina con el

nitrógeno, pero disminuye si la presencia del primero es absoluta. En todos los casos,

aunque el PVC Met es más susceptible a la temperatura, su estructura le permite retrasar

la liberación de ácido clorhídrico más que el PVC Com, esta liberación se da por un solo

mecanismo concertado y no en competencia/paralelo.

Esta síntesis de resultados permite enunciar el esquema de degradación siguiente:

130

Discusión de resultados

DEGRADACIÓN MATERIAL DEGRADACIÓN ESTÁTICA DINÁMICA

Crecen polienos 1 Rupt-entrec-rupt-entreC

1.

Pierde mayor cantidad HCI d Nitrogeno/ 1 lA 1 IDE 3 IC en cualquier atmósfera / ..8 Pérdida rápida.

Liberacion / PVCComH -( El oxigeno disminuye su Lenta HC! \ No crecen polienos Ea de manera decisiva

Aire \Catálisis e introducción 2 Oxígeno

Rupt-entrec 2 Tipos de estructura C-Cl

1 2 34 2 lA 2 IDE 4 IC Liberación temprana

Escala de intensidad Pierde menor cantidad HCI

Crecen polienos . en cualquier atmosfera. Rupt-entrec-rupt-efltrec

Nitroge u Perdida lenta.

4 lA 3 IDE 1

Liberación y El oxígeno aumenta su Ea

PVC Met si se encuentra mezclado u Rápida HCI\ No crecen polienos 1 con nitrógeno

Aire \ Catálisis eintroducción u 4 Oxigeno , 1 Tipo de estructura C-Cl

Rupt-entrec Liberación tardía

3IA4 IDE 2IC ------------------------------------------------------------------------------------------

Tal y como se enunció en el capítulo VI.7, estos resultados están soportados únicamente por las

inferencias y deducciones directas e indirectas que emanan de los métodos utilizados y pueden

ser mejorados ampliando y profundizando la investigación ya mostrada, lo cual se encuentra

fuera de los límites de tiempo y forma ya establecidos desde el inicio de la investigación.

131

Conclusiones

VII. CONCLUSIONES

La polimerización de cloruro de vinilo con catalizador IndTiCl3 activado por una baja

cantidad de MAO fue encontrada en óptimas condiciones de reacción en dicloruro de metileno

como disolvente y a 25°C de temperatura, esta reacción se conduce por un mecanismo de

coordinación en sitio único, de manera lenta y no estereoselectiva, produciendo un polímero

con inserciones de metilos por parte del cocatalizador y dos finales de cadena diferentes. La

disminución de la temperatura de polimerización resulta en una continuidad de dicho

comportamiento, reduciendo la conversión y aumentando la estereoregularidad; mientras que

el aumento de ésta produce un cambio total del desempeño del catalizador, produciendo

cadenas cortas y amplia polidispersidad. Por otra parte, el metilaluminoxano introduce algunas

unidades de metilos en la cadena principal, el incremento de su presencia causa un cambio

drástico en todo el sistema de reacción, mostrando así que durante la polimerización el

monómero está íntimamente relacionado al sistema catalítico, es evidente que éste último no

está funcionando de la misma manera que frente al monómero estireno. El proceso de

polimerización se da por inserción 2,1 del monómero al centro metálico en estado de

oxidación Ti(IV) y siempre está acompañado de polimerización por radicales libres de origen

desconocido, produciendo polímero el cual es imposible de diferenciar del producido por

coordinación.

La degradación del poli(clontro de vinilo) obtenido, frente a otro de origen comercial,

muestra considerables diferencias. La resistencia a la liberación de ácido clorhídrico del

método isotérmico revela que el primero es el mas susceptible, debido en parte a la gran

diferencia en área superficial entre ambos materiales y en parte a que éste cuenta con

insaturaciones desde su obtención, resultado de la interacción del sistema catalítico con los

cloros de la cadena principal durante la polimerización y/o a la presencia de ácido clorhídrico

en la solución de metanol utilizada para matar la especie activa. Por otro lado, la muestra

comercial presenta señales de susceptibilidad a la presencia de oxígeno en el sistema de

degradación, observándose alta presencia de estructuras oxidadas en la cadena principal. En

ambos casos, la liberación de HC1 sucede en dos etapas sobrelapadas. Se debe notar sin

embargo, que un estudio más amplio utilizando un polímero con ausencia de estructuras

132

Conclusiones

carbonílicas por parte del iniciador yio el estudio de la degradación estática ya sea en solución

o después de un casting puede dar mayor soporte a estas conclusiones.

El estudio del comportamiento frente a la temperatura, por medio de análisis

termodinámico, señala que el material producido en la presente investigación tiene una energía

de activación a la degradación menor respecto a la muestra comercial, (en total acuerdo al

análisis isotérmico) bajo atmósfera inerte, la inclusión de oxígeno en la degradación

disminuye decisivamente la energía de activación de la muestra comercial y eleva

apreciablemente la del polímero producido con el sistema catalítico tricloruro de

indeniltitanio-metilalumoxano; este además tiene una capacidad de retención del ácido

clorhídrico marcadamente superior al polímero industrial, indicando que seguramente cuenta

con una sola estructura conformacional carbono-cloro, mientras que el segundo cuenta con dos

estructuras, las cuales se inician al mismo tiempo pero una libera el ácido mas rápidamente

que la otra.

Todo lo anterior indica que el material obtenido tiene las desventajas de alta área

superficial y la existencia inicial de dobles enlaces, las cuales disminuyen su capacidad de

resistencia a la degradación por temperatura. Sin embargo, se deja ver que el proceso de

polimerización logra crear cadenas con conformaciones carbono-cloro homogéneas y

resistentes a dicha acción, lo que significa que muy probablemente la eliminación de las

desventaj as mencionadas darán como resultado un material superior a cualquiera producido

por radicales libres y/o altas temperaturas.

133

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39

138

Propuestas de Investigación

IX. PROPUESTAS DE INVESTIGACIÓN

La sección de síntesis de PVC utilizando el sistema catalítico IndTiCl3 activado con

MAO es un área de investigación muy prometedora, las posibles derivaciones de investigación

son las siguientes:

/ Utilizar otros métodos de caracterización para confirmar la naturaleza de la reacción de

polimerización entre el sistema catalítico IndTiCl3-MAO a baja relación de activación,

como utilizar monómero deuterado yio reemplazar un átomo de cloro del catalizador

por un metilo deuterado, en ambos casos se utiliza RMN de 'H para conocer con

exactitud la estructura del polímero, sobre todo los finales de cadena, que son

determinantes para conocer el mecanismo de polimerización.

/ Investigar a fondo la interacción entre el MAO y el PVC, dado que el primero es capaz

de introducir grupos metilos y bencilos en la cadena principal, esto puede llevar a

desarrollar un método alterno para modificar el PVC in situ durante la reacción de

polimerización.

/ Obtener una cantidad suficiente de PVC producido por radicales libres en solución,

este material se puede caracterizar y degradar utilizando los mismos métodos

mostrados en esta investigación, los resultados obtenidos eliminarían algunas

interrogantes y significaría una continuación en la presente investigación, aunado al

seguimiento de publicaciones científicas.

Por otra parte, la degradación del PVC obtenido por polimerización por lotes, utilizando el

sistema catalítico IndTiClyMAO con una relación de activación MAO/IndTiC13=10, a

25°C y 24 horas de reacción, junto con la comparación de la degradación de la muestra de

PVC comercial dio lugar a otras áreas de investigación no menos interesantes, estas son:

Desarrollar la degradación estática del PVC con oxígeno como atmósfera y gas

acarreador, esto ayudaría de manera importante a despejar la duda de la

introducción del oxígeno al PVC formando estructuras oxidadas capaces de

modificar la liberación de HC1 y por lo tanto la estabilidad del material.

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Propuestas de Investigación

y' Desarrollar la degradación dinámica del PVC con cantidades de muestra de 2±1

mg, a rampas de calentamiento de 20, 15, 10, 5 y 2.5°C/mm, bajo atmósferas de

nitrógeno, oxígeno, aire y nitrógeno/oxígeno =1/1 vol/vol, y obtener tendencias y

energías de activación, esto daría mas luz sobre la duda de la influencia de la

cantidad de muestra de PVC introducido sobre el termograma y su derivada

obtenidos.

V' Realizar la degradación dinámica de PVC mas otros materiales que contengan una

proporción diferentes de átomos de cloro, como PVC postclorado (CPVC) y

polietileno dorado (CPE), esto ayudaría a definir la influencia del cloro en su papel

central de promotor de la degradación del PVC, sabiendo que el PVC tiene un

contenido de cloro de aproximadamente 57% lo mejor sería probar además CPVC

con un contenido de cloro de 65% ó mayor, además de CPE con un contenido de

45% de átomos de cloro y otro con un contenido de 30%, nuevamente lo mejor es

obtener las energías de activación de cada material y analizar los termogramas y

sus derivadas obtenidas. Una observación importante es que lo mas conveniente en

esta propuesta seria conocer lo mejor posible los materiales (CPVC, PVC y CPE)

para poder vincular su comportamiento degradativo obtenido con su origen. Si se

desea también se puede incluir la degradación estática aquí descrita, aumentando

de esta manera la posibilidad de análisis y perspectivas de observación y

conclusión. De la misma manera, en ambos casos la utilización de atmósferas

diferentes mejorará las posibilidades de obtener conclusiones mas interesantes. a

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