Tese sobre adição de fibras naturais em polímeros

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La presente tesis es publicada a texto completo en virtud de que el autor 
ha dado su autorización por escrito para la incorporación del documento a la 
Biblioteca Digital y al Repositorio Institucional de la Universidad de Guadalajara, 
esto sin sufrir menoscabo sobre sus derechos como autor de la obra y los usos 
que posteriormente quiera darle a la misma. 
UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA 
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS 
 
 
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
“Efecto de la adición de fibras naturales sobre la cinética de 
descomposición no-isotérmica de azodicarbonamida en 
polietileno lineal de media densidad utilizando un reómetro 
capilar”. 
 
 
 
 
TESIS PROFESIONAL 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO en CIENCIAS en INGENIERÍA QUÍMICA 
PRESENTA EL 
I. Q. EDUARDO RUIZ SILVA 
GUADALAJARA, JALISCO JUNIO, 2015 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA 
CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERÍAS 
 
 
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
“Efecto de la adición de fibras naturales sobre la cinética de 
descomposición no-isotérmica de azodicarbonamida en 
polietileno lineal de media densidad utilizando un reómetro 
capilar”. 
 
 
 
 
TESIS PROFESIONAL 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO en CIENCIAS en INGENIERÍA QUÍMICA 
PRESENTA EL 
I. Q. EDUARDO RUIZ SILVA 
GUADALAJARA, JALISCO JUNIO, 2015 
 
Director: Dr. Rubén González Núñez 
Co-Director: Dr. Jorge Ramón Robledo Ortíz 
Co-Director: Dr. Denis Rodrigue 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A Dios, por darme la fuerza y bendiciones para poder llegar hasta aquí, gracias mi 
Señor. 
A la Universidad de Guadalajara por permitir continuar con mis estudios y 
formación académica. 
Al CONACYT por el apoyo económico brindado durante el desarrollo de este 
trabajo. 
A mis directores Dr. Rubén González Núñez, Dr. Jorge Ramón Robledo Ortíz y 
Dr. Denis Rodrigue, por su apoyo, colaboración y consejos durante mi trabajo, pero 
sobre todo por la amistad que me han brindado. 
A mis padres Silvia y José Antonio quienes siempre han estado a mi lado dándome 
todo su apoyo y amor. 
A toda mi familia. 
A Yuri que ha estado conmigo en todo momento y me ha dado toda su comprensión, 
te amo. 
A mis amigos y compañeros con quienes he compartido tantos momentos 
agradables. 
 
 
ÍNDICE 
 
1 RESUMEN 1 
2 INTRODUCCIÓN 3 
2.1 Antecedentes 5 
2.2 Justificación 8 
2.3 Objetivos 9 
2.4 Hipótesis 10 
3 MARCO TEÓRICO 11 
3.1 Introducción 12 
3.2 Materiales compuestos 12 
3.2.1 Polímeros compuestos 13 
3.2.1.1 Fibras naturales 13 
3.2.2 Polímeros espumados 16 
3.2.2.1 Procesos de fabricación de espumas 17 
3.2.2.2 Procesos de moldeo y solidificación de espumas 20 
3.2.2.3 Agentes espumantes 23 
3.3 Cinética química y reacciones auto-catalíticas 27 
3.3.1 Cinética química: Introducción 27 
3.3.2 Velocidad de reacción 28 
3.3.3 Leyes de velocidad 29 
Índice 
 
 
3.3.4 Determinación del orden de una reacción 30 
3.3.4.1 Método diferencial de análisis 31 
3.3.4.2 Método integral 31 
3.3.4.3 Regresión no lineal 32 
3.3.4.4 Método de velocidades iniciales 32 
3.3.5 Término dependiente de la temperatura en la ecuación cinética 33 
3.3.6 Reacciones auto-catalíticas 34 
4 EXPERIMENTACIÓN 37 
4.1 Materiales 38 
4.2 Preparación de la fibra de pino 38 
4.3 Análisis termo-gravimétrico 39 
4.4 Análisis de humedad de la fibra de pino 40 
4.5 Reómetro capilar 41 
4.5.1 Descripción de las pruebas de descomposición 43 
4.6. Determinación de densidades 44 
5 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 46 
5.1 Descomposición del ACA sin la presencia de fibras naturales 47 
5.1.1 Análisis termo-gravimétrico 47 
5.1.2 Estudio cinético 49 
 
5.2 Descomposición del ACA en presencia de fibras naturales 59 
5.2.1 Efecto de la humedad presente en la fibra de pino 59 
5.2.2 Densidad de los materiales 60 
5.2.3 Efecto de la fibra sobre la cinética de descomposición del ACA 62 
6 CONCLUSIONES 71 
7 REFERENCIAS 74 
8 ANEXOS 81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este breve capítulo se presenta un 
panorama del contenido general de 
este trabajo, describiendo en unas 
cuantas líneas los principales temas 
tratados. 
Capítulo 1 
RESUMEN 
Resumen 
 
 
 
- 2 - 
 
En este trabajo se realizó el estudio del efecto de la adición de fibras naturales 
(Pinus spp.) sobre la cinética de descomposición no-isotérmica de 
azodicarbonamida (ACA) en polietileno lineal de media densidad (PELMD). 
 
Se analizó la dinámica de calentamiento del reómetro capilar con la finalidad 
de conocer con precisión como cambia la temperatura dentro de la cámara cilíndrica 
en función del tiempo. Se realizaron pruebas con PELMD puro para determinar la 
presión debida al cambio de densidaddel material con la temperatura y pruebas de 
descomposición del ACA en mezclas de PELMD además de diferentes cantidades 
de fibra de pino (0, 5, 10 y 15%) ajustando la cantidad de PELMD. 
 
La presión ejercida por los gases generados durante la descomposición del 
ACA se siguió en función del tiempo y se determinó la diferencia entre la presión 
debida al cambio de densidad del polímero puro y la presión obtenida con las 
mezclas. Los parámetros cinéticos de la descomposición fueron obtenidos mediante 
la aplicación de un esquema de reacción auto-catalítico utilizando como herramienta 
de cálculo regresión no-lineal e integración numérica en MATLAB. 
 
Los resultados mostraron que para las mezclas de PELMD con ACA el modelo 
propuesto fue capaz de ajustar de manera satisfactoria los datos experimentales de 
la descomposición no-isotérmica del agente espumante. Sin embargo, una vez que 
es agregada la fibra de pino a la mezcla, se aprecia una desviación de los datos 
calculados con los datos experimentales, la cual se acentúa con el aumento de la 
cantidad de fibra presente en las mezclas apuntando a un enfoque experimental 
diferente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2 
INTRODUCCIÓN 
En este capítulo se presentan algunos 
de los antecedentes de este trabajo, 
justificación, objetivos e hipótesis. 
Introducción 
 
 
 
- 4 - 
 
Se han reportado un gran número de investigaciones científicas e industriales 
enfocadas en el estudio de materiales compuestos (también llamados composites) 
de fibras lignocelulósicas y matrices poliméricas (Rizvi et al. 2000; Rizvi et al. 2002; 
Mengeloglu & Matuana 2003; Tissandier et al. 2012; Xie et al. 2012; Moreno et al. 
2013; Pérez-Fonseca et al. 2015). Algunos productos fabricados a partir de 
composites plástico/fibras lignocelulósicas además de reducir los costos de 
producción, presentan un aumento de la rigidez. Varios de estos artículos son 
utilizados en la industria de la construcción para revestimientos, marcos en puertas 
y ventanas y cubiertas como sustituto de los aglomerados de madera tradicionales 
ya que son más resistentes a la humedad, no se pudren, separan, deforman o 
astillan tal y como ocurre con la madera natural (Li & Matuana 2003). 
 
Sin embargo, estas mejoras vienen acompañadas de una pérdida en la 
ductilidad y resistencia al impacto (Niu et al. 2010). Además, la densidad de estos 
materiales es mayor a la de ciertos polímeros y casi el doble de la madera natural. 
Estas características pueden obstaculizar que los productos fabricados con este tipo 
de composites logren alcanzar su máximo potencial en el mercado. 
 
Se han publicado trabajos donde se busca modificar ciertas propiedades de 
este tipo de composites mediante diferentes métodos. Los tratamientos químicos y 
físicos de la fibra han probado ser una solución a la débil adhesión que existe entre 
el material reforzante y la matriz plástica (Kalia et al. 2009; Cisneros-López et al. 
2015). Por otra parte, el concepto de la creación de estructuras celulares 
espumadas ha sido incorporado a través de procesos de extrusión e inyección y se 
han demostrado modificaciones significativas en los composites. Debido a la 
presencia de burbujas, la densidad de los compuestos se reduce 
considerablemente, y se han alcanzado importantes mejoras en la resistencia al 
impacto (Matuana et al. 1998). 
Introducción 
 
 
 
- 5 - 
 
2.1 Antecedentes 
 
En general, la estructura de los polímeros espumados se produce por la 
introducción de un agente espumante en la matriz polimérica en procesos por lotes 
o continuos, su función consiste en producir estructuras celulares en dicha matriz, 
es decir, estructuras que contienen grandes proporciones de celdas o células llenas 
de gas. Dichos agentes pueden ser de dos tipos: físicos y químicos (Sempere-
Alemany 2002; Soares & Nachtigall 2013). Los agentes espumantes físicos (AEF) 
proporcionan la expansión debido a cambios en su estado físico. Estos cambios 
pueden implicar la volatilización de un líquido o la liberación de un gas comprimido 
bajo presión a la presión atmosférica después de su incorporación en el polímero. 
Agua, nitrógeno, dióxido de carbono e hidrocarburos de bajo peso molecular son 
algunos ejemplos de espumantes físicos (Heck 1998). 
 
Por otra parte, los agentes espumantes químicos (AEQ) son compuestos 
orgánicos o inorgánicos, o una mezcla de productos, que por acción del calor y en 
un intervalo de temperatura propio sufren una reacción de descomposición 
generando subproductos sólidos y gaseosos de diversa naturaleza, siendo el gas 
generado el responsable del proceso de espumado. 
 
Los AEQ, presentan ventajas dado su fácil almacenamiento, manipulación, 
dosificación y control en la generación de gas (Sempere-Alemany 2002). El más 
popular de los AEQ es la azodicarbonamida (ACA) debido a su alto rendimiento de 
producción de gas (210-220 cm3 de gas por gramo de producto) (Heck 1998; 
Fukushima & Colombo 2012; Soares & Nachtigall 2013) y la capacidad de adaptar 
su temperatura de descomposición con la temperatura de procesamiento del 
polímero utilizando catalizadores adecuados como sales de metales de transición, 
Introducción 
 
 
 
- 6 - 
 
especialmente plomo, cadmio y zinc, urea y algunos ácidos orgánicos (Heck III & 
Peascoe 1985; Heck 1998; Soares & Nachtigall 2013). 
 
El conocimiento exacto del efecto de las diferentes variables que afectan a 
algunas reacciones (reticulación, espumado, etc.) involucradas en el procesamiento 
térmico de polímeros, así como, el estudio cinético y modelado de dichos procesos 
es de gran importancia en el diseño de moldes, selección de polímeros, 
formulaciones y condiciones de operación (Reyes-Labarta & Marcilla 2008). Sims & 
Jaafar (1994) analizaron el comportamiento de la descomposición térmica del ACA 
en ausencia de matriz polimérica utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC) 
y análisis de gas generado (EGA). Encontraron que la descomposición del ACA es 
función del tamaño de partícula, velocidad de calentamiento, tipo y concentración 
de activador, así como el grado de dispersión del agente espumante. Observaron 
también, que es posible modificar el comportamiento de descomposición del ACA 
mediante el uso de AEQ “auxiliares” que actúen antes del AEQ principal, obteniendo 
una liberación controlada de gas lo cual produce estructuras celulares espumadas 
más uniformes. Emplearon como agente espumante auxiliar 4,4´-
Oxibisbencenosulfonhidracina (OBSH). El calor generado debido a la 
descomposición exotérmica del OBSH fue suficiente para reducir la temperatura de 
descomposición del ACA. 
 
La descomposición térmica del ACA es un proceso exotérmico y varios 
estudios han reportado el calor de reacción (Bhatti et al. 1984b; Reyes-Labarta et 
al. 2006) y la energía de activación (Bhatti et al. 1984b; Wang et al. 2006; Reyes-
Labarta & Marcilla 2008). Reyes-Labarta et al. (2006) analizaron la descomposición 
térmica del ACA en mezclas binarias utilizando como matriz polietileno (PE) y 
copolímero etilvinilacetato (EVA). Reportaron que dicha descomposición 
(temperatura y calor de reacción) depende de la matriz polimérica empleada, como 
Introducción 
 
 
 
- 7 - 
 
resultado de interacciones físicas y químicas durante el proceso de espumado. 
También se ha reportado que la adición de óxido de zinc (ZnO) acelera el proceso 
de espumado provocando una disminución en la temperatura de descomposición 
del ACA (Reyes-Labarta et al. 2006; Robledo-Ortíz et al. 2008). En un trabajo 
reciente, Reyes-Labarta & Marcilla (2012) estudiaron la cinética de descomposición 
del ACA mediante DSC y TGA en PE y EVA en el que se propuso un modelo 
pseudocinético a los datos experimentales que considera un mecanismo que 
involucra seis reacciones. Los resultados del estudio muestran que el modelopropuesto ajusta de manera satisfactoria los datos experimentales de la 
descomposición térmica del ACA. 
 
La descomposición del ACA ha sido ampliamente investigada. Se ha 
observado que bajo condiciones no-isotérmicas puede ser descrita por un esquema 
de reacción auto-catalítico (Rychlá et al. 1984; Tai & Wang 1997; Wang et al. 2006). 
En la mayoría de los casos, los parámetros cinéticos y el orden de reacción son 
determinados a partir de datos de DSC (Rychlá et al. 1984; Sims & Jaafar 1994; 
Reyes-Labarta et al. 2006), análisis termo-gravimétrico (TGA) (Bhatti et al. 1984b; 
Reyes-Labarta & Marcilla 2008, 2012) y por análisis de gas generado (EGA) (Sims 
& Jaafar 1994; Prasad & Shanker 1999). Sin embargo las técnicas de EGA y DSC 
son limitadas a concentraciones de ACA mayores a 2%, debido a la baja precisión 
que ofrecen los pequeños volúmenes de gas generados. Para el TGA, la desventaja 
es que pueden surgir futuras complicaciones en las lecturas de temperatura debido 
a la absorción de calor por parte de la muestra (Parres García 2005). Como una 
alternativa a estas técnicas, Stange & Münstedt (2006) desarrollaron una 
metodología para la formación de espumas a escala de laboratorio basada en un 
reómetro capilar. Analizaron las propiedades reológicas y la morfología de mezclas 
espumadas de polipropileno lineal y polipropileno ramificado. Por otra parte, 
Robledo-Ortíz et al. (2008) propusieron el uso de un reómetro capilar acoplado a un 
Introducción 
 
 
 
- 8 - 
 
dado cerrado para seguir la cinética de descomposición térmica del ACA. Siguiendo 
los cambios de presión en función del tiempo, utilizando solo 0.5% de ACA en 
aproximadamente 20 g de polietileno de alta densidad obtuvieron un solo conjunto 
de parámetros cinéticos de la descomposición dando una buena representación de 
dicho proceso. 
 
En este trabajo se determinó el efecto de la adición de fibras naturales (Pinus 
spp.) sobre la cinética de descomposición de la azodicarbonamida en polietileno 
lineal de media densidad (PELMD) mediante la técnica propuesta por Robledo-Ortíz 
et al. (2008), realizando los experimentos en condiciones no-isotérmicas desde una 
temperatura inicial de 140°C hasta una temperatura final de 205, 210, 215 y 220°C. 
 
2.2 Justificación 
 
En la actualidad a nivel mundial existe una creciente búsqueda de nuevos 
materiales que puedan reemplazar a los tradicionales utilizados en la industria del 
automóvil, de la construcción entre otras, que sean de menor costo y presenten 
propiedades y características apropiadas. Los composites plástico/fibras 
lignocelulósicas representan una clase emergente de materiales que combinan el 
desempeño favorable y los atributos de costo de los componentes originales. Las 
compañías de productos forestales ven en los polímeros una alternativa para la 
fabricación de nuevos materiales para la construcción con características que no 
tiene la madera, tal como una mayor resistencia a la humedad y a insectos. Por otra 
parte la industria de los polímeros ven a las fibras lignocelulósicas como un relleno 
fácilmente disponible y relativamente económico capaz de reducir el costo de sus 
resinas, dar rigidez y aumentar las ganancias. 
 
Introducción 
 
 
 
- 9 - 
 
Como ya se mencionó, el uso de agentes espumantes ofrece la posibilidad de 
modificar ciertas propiedades en el producto final, haciendo de este un material 
idóneo para diferentes aplicaciones, por lo que un conocimiento preciso del 
comportamiento de espumado de plásticos en presencia de fibras naturales es de 
gran importancia no solo en el aspecto ecológico, sino en la posibilidad de poder 
optimizar dicho proceso. En la literatura se encuentran algunos estudios en los 
cuales se reporta el efecto de nucleación causado por la presencia de las partículas 
sólidas de fibra durante el proceso de espumado (Chen et al. 2002; Rodrigue et al. 
2006), sin embargo no se encuentra una discusión acerca del efecto en la cinética 
de tal proceso. 
 
La técnica propuesta en este estudio, garantiza un método sencillo y rápido 
para determinar los parámetros cinéticos de la descomposición del ACA en PELMD 
y fibras naturales utilizando un reómetro capilar. Se determinaron los efectos de la 
temperatura y de la adición de fibras naturales sobre el proceso de descomposición. 
Se utilizó una reacción auto-catalítica como el esquema para describir tanto el 
mecanismo de descomposición térmica del ACA como para la obtención de los 
parámetros cinéticos. 
 
2.3 Objetivos 
 
El objetivo general de este estudio es analizar el proceso de descomposición 
de la azodicarbonamida en composites de polietileno lineal de media densidad con 
diferentes cantidades de fibra natural utilizando un reómetro capilar para determinar 
los parámetros cinéticos a diferentes temperaturas. 
 
 
 
Introducción 
 
 
 
- 10 - 
 
Objetivos particulares 
 
 Obtención de los parámetros cinéticos de la descomposición térmica 
del ACA empleando un esquema de reacción auto-catalítico. 
 Determinar la validez de los parámetros cinéticos obtenidos mediante 
comparación de los datos experimentales con los datos calculados. 
 
2.4 Hipótesis 
 
La presencia de las partículas sólidas de fibra en los composites actuarán 
como agentes de nucleación durante el proceso de espumado, además, los 
componentes presentes en dicha fibra, principalmente la lignina, pueden influir en 
el mecanismo de descomposición no-isotérmico del ACA, reflejado en el tiempo y 
temperatura a la cual se inicia la reacción de descomposición. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este capítulo se presentan los principales 
aspectos teóricos en los cuales se basa este 
trabajo. Se habla acerca de los materiales 
compuestos, las fibras naturales y los 
procesos de espumado. Finalmente se hace 
mención de la cinética y el carácter auto-
catalítico de algunas reacciones. 
Capítulo 3 
MARCO TEÓRICO 
Marco Teórico 
 
 
 
- 12 - 
 
3.1 Introducción 
 
Nuestra sociedad ha logrado grandes avances en la calidad de vida debidos a 
un extenso descubrimiento y disponibilidad de plásticos derivados del petróleo. Sin 
embargo, como con cualquier tecnología, también se producen efectos secundarios 
negativos que no fueron anticipados. La persistencia de los plásticos en el ambiente, 
escasez de espacio en los tiraderos, preocupación por las emisiones resultantes de 
la incineración, riesgos para la salud humana, y riesgos para los animales 
(atrapamiento o ingesta de estos materiales) han estimulado los esfuerzos para 
encontrar materiales alternativos que sean amigables con el ambiente. La 
disminución de los recursos petroleros junto con el aumento en las regulaciones 
ambientales se han sumado a este esfuerzo de búsqueda de nuevos materiales y 
productos que sean compatibles con el medio ambiente e independientes de los 
combustibles fósiles. 
 
Las fibras naturales ahora están surgiendo como una alternativa al uso de 
fibras sintéticas ya sea solas o en combinación para producir materiales compuestos 
utilizados para diferentes aplicaciones como en partes automotrices, en la industria 
de la construcción y materiales de embalaje rígidos. Las ventajas que presentan las 
fibras naturales sobre las sintéticas, como la fibra de vidrio, son su bajo costo, baja 
densidad, propiedades mecánicas específicas competitivas, sustentabilidad, 
reciclabilidad y biodegradabilidad (Mohanty et al. 2005). 
 
3.2 Materiales compuestos 
 
Un material compuesto (también llamado “composite”) está formado por dos o 
más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son 
superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado. Estos 
Marco Teórico 
 
 
 
- 13 - 
 
materiales están formados por dos fases, una continua denominada matriz y otra 
dispersa denominada refuerzo. Elrefuerzo proporciona las propiedades mecánicas 
al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. 
 
3.2.1 Polímeros compuestos 
 
Los materiales compuestos más comunes son aquellos de matriz polimérica. 
Estos composites consisten de un polímero termoplástico o termoestable reforzado 
por fibras (sintéticas o naturales). Estos materiales pueden moldearse en una gran 
variedad de formas y tamaños. Proveen de una gran fuerza, rigidez y resistencia a 
la corrosión (Taj et al. 2007). 
 
En muchas ocasiones, las propiedades de los polímeros son modificadas 
utilizando rellenos y fibras para adaptarse a los requerimientos de la aplicación final. 
Los polímeros reforzados con fibras ofrecen ventajas sobre otros materiales 
convencionales cuando se comparan propiedades específicas. Sin embargo, ciertos 
inconvenientes tal como la incompatibilidad con la matriz polimérica hidrofóbica, 
tendencia a formar agregados durante el procesamiento, y una pobre resistencia a 
la humedad reducen en gran medida el potencial de las fibras naturales para ser 
utilizadas como refuerzos en polímeros. 
 
3.2.1.1 Fibras naturales 
 
Tipos de fibras 
Las fibras naturales se agrupan en tres tipos dependiendo de la fuente de la 
que provienen: fibras de semilla, fibras del líber y fibras de hoja. Algunos ejemplos 
son algodón (fibra de semilla), ramio, yute, lino (fibras del líber), henequén y abacá 
(fibras de hoja). De estas fibras, yute, ramio, lino y henequén son las fibras 
Marco Teórico 
 
 
 
- 14 - 
 
comúnmente utilizadas para la producción de composites poliméricos. Fibra natural 
en forma de harina de madera es a menudo también utilizada en composites con 
fibras lignocelulósicas (Faruk et al. 2012). 
 
 
Microestructura de las fibras naturales 
Las fibras naturales son por si solas materiales reforzados por fibra celulósica 
ya que están constituidas por microfibrillas en una matriz amorfa de lignina y 
hemicelulosa. Estas fibras se componen de fibrillas que se encuentran en todo lo 
largo de la fibra. Los puentes de hidrógeno y otros enlaces proporcionan a la fibra 
fuerza y rigidez. 
 
Composición química de las fibras naturales 
La composición química de las fibras naturales varía dependiendo del tipo de 
fibra. Primordialmente, las fibras contienen celulosa, hemicelulosa, pectina y lignina. 
Figura 3.1. Fuente de las fibras naturales (Ahmad et al. 2015) 
Marco Teórico 
 
 
 
- 15 - 
 
Las propiedades de cada componente contribuyen a las propiedades globales 
de la fibra. La hemicelulosa exhibe menor resistencia y es responsable de la 
biodegradación, la absorción de humedad y degradación térmica, mientras que la 
lignina es térmicamente estable, pero es responsable de la degradación ocasionada 
por los rayos UV. La composición porcentual de cada uno de estos constituyentes 
también varía dependiendo del tipo de fibra. Generalmente, las fibras contienen de 
un 60-80% de celulosa, de un 5-20% de lignina y un porcentaje de humedad por 
arriba del 20% (Saheb & Jog 1999; Taj et al. 2007). 
 
Principales obstáculos en la preparación de composites con fibras naturales 
Durante la preparación de composites con fibras naturales pueden surgir 
algunas dificultades las cuales ocasionan que las propiedades finales del material 
disminuyan en gran medida. 
 
Las fibras naturales son una mezcla compleja de componentes orgánicos y 
como resultado, el tratamiento térmico conduce a una variedad de cambios físicos 
y químicos. La estabilidad térmica de las fibras naturales puede ser estudiada por 
análisis termo-gravimétrico (TGA) (Kalia et al. 2009; Russo et al. 2012). Se ha 
observado que la descomposición térmica de las fibras es un proceso que ocurre 
en dos etapas, una en un rango de 200-260°C y la otra en un rango de 280-300°C. 
El proceso de degradación a bajas temperaturas se asocia a la degradación de la 
hemicelulosa, mientras que el de altas temperaturas a la degradación de la lignina 
(Kozlowski & Wladyka-Przybylak 2008). La degradación de fibras naturales es un 
aspecto crucial en el desarrollo de materiales compuestos por lo que tiene gran 
influencia sobre la temperatura de curado en el caso de polímeros termoestables y 
temperatura de extrusión o inyección en el caso de polímeros termoplásticos. 
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 16 - 
 
Las poliolefinas son comúnmente utilizadas en la preparación de composites 
con fibras naturales debido a que las temperaturas de procesamiento se encuentran 
por debajo de la temperatura de degradación de los materiales lignocelulósicos. 
Típicamente, resinas como el polietileno (PE) y polipropileno (PP) son empleadas 
como matrices en el estudio de las propiedades de materiales compuestos. 
 
Por otra parte, las fibras naturales son hidrofílicas. La fuerte interacción entre 
los grupos hidroxilos de la celulosa provoca una mala dispersión de la fibra en la 
matriz plástica de naturaleza hidrofóbica. La absorción de humedad puede reducir 
la interacción fibra-matriz, conduce a bajas eficiencias en la transferencia de 
esfuerzos y resulta en una reducción de las propiedades mecánicas y dimensionales 
del material final. Por esta razón, la absorción de humedad en composites 
plástico/fibra natural debe ser considerada en aplicaciones que requieren cierta 
resistencia en entornos dinámicos (Fang et al. 2013). 
 
3.2.2 Polímeros espumados 
 
Los plásticos espumados también llamados plásticos celulares, consisten 
generalmente de un mínimo de dos fases, una matriz polimérica sólida y una fase 
gaseosa derivada de un agente espumante. Es posible que se encuentre presente 
más de una fase sólida, como en el caso de una mezcla o aleación polimérica. Otras 
fases sólidas pueden estar presentes en las espumas en forma de relleno, ya sea 
como fibra u otra forma. Los rellenos pueden ser de origen inorgánico provenientes 
de materiales como vidrio, cerámica o metal, o de origen orgánico (Klempner & 
Frisch 1991). 
 
Existen dos grandes clases de espumas poliméricas: termoplásticas y 
termoestables. Dentro de estas clases, las espumas poliméricas se clasifican 
Marco Teórico 
 
 
 
- 17 - 
 
además como rígidas, semi-rígidas, semi-flexibles o flexibles, dependiendo de su 
composición, morfología celular, temperatura de transición vítrea, porcentaje de 
cristalinidad y grado de entrecruzamiento. 
 
Por otra parte, una espuma polimérica puede estar constituida por células 
(burbujas) cerradas o abiertas. Cuando la espuma es de célula cerrada, cada 
burbuja está separada una de otra, estas pueden ser comparadas con pequeñas 
bolsas que no tienen orificios en sus paredes. Si las paredes son impermeables, las 
burbujas pueden almacenar gas. 
 
Si la espuma es de célula abierta, las burbujas están interconectadas unas con 
otras a través de orificios en sus paredes. Las células no pueden almacenar algún 
gas debido a que se mueve rápidamente entre las burbujas y se escapa (Khemani 
1997). 
 
La mayoría de los polímeros termoplásticos y termoestables pueden ser 
espumados para crear estructuras celulares. En cualquiera de los casos, dos 
fenómenos deben ocurrir. Primero, el polímero debe ser espumado. En segundo 
lugar, el polímero espumado debe entonces ser moldeado y solidificado. Algunos 
polímeros son espumados como materiales fundidos y después enfriados, mientras 
que otros son líquidos que son espumados y después se hacen reaccionar para 
obtener la espuma sólida (Strong 2000). 
 
3.2.2.1 Procesos de fabricación de espumas 
 
Se han desarrollado diferentes procesos o técnicas para el espumado de 
polímeros. A continuación se describen cuatro de las técnicas más empleadas. 
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 18 - 
 
Espumado mecánico 
En esta técnica, una resina líquida o en solución, es agitada mecánicamente 
para dispersar aire en todo el material. Una vez obtenida la resina líquida espumada, 
puede ser moldeada y solidificada.Este proceso es similar a realizar crema batida 
o la forma de preparar una malteada. Algunas ejemplos de resinas espumadas por 
esta técnica son: plastisol, esteres vinílicos, urea formaldehído, resinas fenólicas, y 
poliésteres. 
 
Espumado químico 
El espumado químico es el resultado de la formación de gas debido a la 
descomposición de químicos especiales llamados agentes espumantes. Cuando 
estos compuestos son agregados a un polímero líquido o fundido se lleva a cabo el 
espumado. Usualmente la descomposición es iniciada por acción del calor. Por la 
tanto, una vez que el agente se agrega al polímero, la mezcla es calentada para 
realizar el espumado. 
 
Uno de los ejemplos más comunes en donde se lleva a cabo este tipo de 
espumado es en la preparación de masa para pan. La reacción química que genera 
el gas (dióxido de carbono en este caso) proviene de la acción de levaduras. Existen 
varias moléculas orgánicas capaces de generar gas comercializadas para el 
espumado de polímeros. 
 
Un proceso relacionado a esta técnica es el espumado debido a la evaporación 
instantánea de agua formada como parte de la reacción de polimerización o 
reticulación de resinas. Aunque no esté clasificado como un agente espumante, el 
vapor de agua es ciertamente el componente que produce el espumado. Debido a 
que el agua se forma por la reacción química, este proceso cae dentro de la 
Marco Teórico 
 
 
 
- 19 - 
 
clasificación de espumado químico. Poliuretanos, la mayoría de los elastómeros, 
urea formaldehído, y silicones son comúnmente espumados químicamente. 
 
Espumado físico 
Si un gas es forzado a entrar a un líquido o a un polímero fundido mientras se 
encuentra baja presión y después esta presión se reduce, el gas es rápidamente 
liberado creando la espuma final. Este proceso se conoce como espumado físico 
ya que no existe ruptura de enlaces químicos en la formación de la estructura 
celular. Un ejemplo de este método es el espumado que ocurre con la crema para 
afeitar una vez fuera de la lata. 
 
Otra forma de espumado físico ocurre cuando se disuelve un solvente volátil 
en una resina. La solución es calentada causando que el solvente se volatilice y 
produzca la espuma. Como ejemplo se tiene el espumado de poliestireno con 
pentano (Strong 2000). 
 
Adición de microesferas huecas de vidrio 
Estos materiales, como su nombre lo dice, son polvos que consisten de 
partículas esféricas de pared delgada (0.5-1.5 µm) con un tamaño de diámetro 
promedio de 15-65 µm. Estos microaditivos inorgánicos exhiben bajas densidades 
(0.12-0.6 g/cm3) y son utilizados principalmente para la reducción de peso en 
polímeros. Estos rellenos pueden modificar propiedades en los polímeros o en 
composites, como la densidad, los módulos de tensión y flexión, y la conductividad 
térmica (Yalcin et al. 2012). En la figura 3.2 se aprecia una micrografía de un 
composite que contiene este tipo de materiales. 
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 20 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.2.2.2 Procesos de moldeo y solidificación de espumas (Strong 2000) 
 
Después de que se ha creado la estructura celular, diferentes procesos 
pueden utilizarse para dar forma y solidificar las espumas. En todos estos procesos, 
las presiones involucradas en el moldeo de espumas son relativamente bajas ya 
que el uso de altas presiones probablemente causaría que las burbujas de las 
espumas colapsen. 
 
Cada uno de los procesos de moldeo y solidificación puede ser empleado junto 
con cualquiera de las técnicas de fabricación de espumas anteriormente descritas. 
Estos procesos de formación de espumas se pueden aplicar tanto a polímeros 
termoplásticos que son fundidos, espumados, y después enfriados para 
Figura 3.2. Micrografía de composite de polietileno de alta densidad/madera-15% 
microesferas huecas de vidrio (Yalcin et al. 2012) 
Marco Teórico 
 
 
 
- 21 - 
 
solidificarlos o a polímeros termofijos que son líquidos espumados y después 
reticulados para endurecerlos. 
 
Los métodos de procesamiento de espumas difieren fundamentalmente en la 
manera en la cual el material espumado es introducido al molde, o a otros 
dispositivos de formado. Estos también difieren en la manera en la cual el proceso 
de espumado es controlado. 
 
Moldeo 
Los materiales líquidos espumados pueden ser inyectados o vertidos 
directamente en moldes que definirán la forma del producto después de solidificar. 
Dos métodos un tanto diferentes son utilizados para controlar la manera en cual la 
espuma se expande dentro del molde. En el primer método, llamado moldeo de 
espuma a baja presión, un volumen determinado de resina líquida junto con el 
agente espumante es introducido al molde. El volumen de este material, aun sin 
espumar o parcialmente espumado, es mucho menor que el volumen del molde, sin 
embargo una vez que el material expande llena el molde. El inicio de la reacción de 
espumado puede ser debido a una reducción de la presión cuando el material es 
introducido en el molde, o puede ser debido a un incremento en la temperatura si el 
molde es calentado. La forma en que se dé el inicio de la acción de espumado 
depende principalmente del tipo de agente espumante utilizado. 
 
La expansión del material toma lugar debido a que el agente espumante 
genera burbujas dentro de la resina causando una expansión del volumen. Esta 
expansión se encuentra limitada por el tamaño del molde, y es llamada moldeo de 
espuma a baja presión porque la expansión no se hace en contra de una presión 
externa. 
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 22 - 
 
En el otro método de control de la expansión en el proceso de espumado en 
moldes involucra expansión de la espuma en contra de una presión externa. Por 
eso, este método es llamado moldeo de espuma a alta presión. Es importante hacer 
notar que aunque el proceso es llamado moldeo a alta presión, las presiones son 
altas solo en comparación con las presiones de casi cero en el moldeo de espuma 
a baja presión y no tan altas como en los procesos de extrusión e inyección de 
polímeros. 
 
En el moldeo de espuma a alta presión la resina junto con el agente espumante 
es vertida dentro del molde hasta que la cavidad se llena por completo. Después, la 
cavidad del molde es mecánicamente expandida a la velocidad a la cual ocurre el 
espumado. Los tipos de productos fabricados por estos dos métodos de moldeo 
pueden ser muy diferentes. El proceso a bajas presiones tiende a crear espumas 
de célula abierta mientras que el proceso a altas presiones crea predominantemente 
espumas de célula cerrada. 
 
Un importante proceso para el moldeo de espumas es el llamado moldeo por 
inyección reactiva (RIM). En el moldeo por inyección reactiva dos reactantes se 
dosifican juntos y son mezclados en línea para dar lugar a la reacción de 
polimerización o reticulación. Para crear una espuma por el proceso de RIM, un 
agente espumante se agrega a la línea de flujo de la resina para posteriormente ser 
inyectados dentro del molde. 
 
Espumado en extrusión 
El proceso de espumado en extrusión es el mismo que el proceso normal de 
extrusión excepto que un agente espumante es agregado al extrusor de tal manera 
que cuando el polímero sale del cabezal, este comienza a expandirse. Esta 
expansión es controlada por algunos sistemas mecánicos como transportadores de 
Marco Teórico 
 
 
 
- 23 - 
 
banda que se encuentran espaciados con la finalidad de obtener la densidad y 
grosor deseados. 
 
El espumado en extrusión es utilizado principalmente para producir láminas 
espumadas, como las empleadas en paneles de aislamiento en la industria de la 
construcción. 
 
Espumado por colada 
 El proceso de espumado por colada difiere de los otros métodos de espumado 
debido a que no existe un límite mecánico en la expansión de la espuma tal como 
un molde o un sistema de transportadores de banda. En esta técnica,una cantidad 
predeterminada de resina y agente espumante se combinan y se colocan en un 
recipiente abierto. El agente espumante expande la resina hasta que dicho agente 
se consume por completo. 
 
3.2.2.3 Agentes espumantes 
 
Los diversos compuestos utilizados para espumar polímeros pueden ser 
clasificados de varias maneras. El esquema de clasificación más general se basa 
en el mecanismo por el cual el gas es generado por estos compuestos, llamados 
agentes espumantes. En general existen dos tipos de agentes espumantes, los 
físicos y químicos. 
 
Agentes espumantes físicos 
Los agentes espumantes físicos (AEF) son compuestos que liberan gases 
como resultado de procesos físicos (evaporación, desorción) a temperaturas 
elevadas o bajas presiones. Debido a los beneficios ambientales que ofrecen, 
dióxido de carbono y nitrógeno son utilizados cada vez con más frecuencia como 
Marco Teórico 
 
 
 
- 24 - 
 
agentes espumantes. Agua, argón, nitrógeno, y dióxido de carbono son algunos de 
los AEF que se han utilizado en la producción de espumas microcelulares (Faruk et 
al. 2007). 
 
Agentes espumantes químicos 
Los agentes espumantes químicos (AEQ) proporcionan un gas (o gases) al 
someterse a una reacción química, lo que resulta en la disolución (descomposición) 
de la molécula original, dando lugar a la expansión del polímero. Además de los 
gases responsables de la expansión del polímero, la descomposición de los AEQ 
genera residuos sólidos que permanecen en el polímero espumado. Estos residuos 
en la mayoría de los casos son más estables que el agente espumante original. En 
muchas ocasiones, la descomposición de los AEQ es inducida térmicamente, sin 
embargo existen algunos ejemplos donde la descomposición es químicamente 
iniciada. Casi todos los AEQ son sólidos, y no requieren almacenamiento especial 
o equipo extra para su manipulación durante el procesamiento de plásticos. 
 
Los AEQ como una clase también pueden ser divididos en dos categorías: 
endotérmicos y exotérmicos. De manera sencilla, los AEQ endotérmicos absorben 
continuamente calor durante la descomposición, mientras que los AEQ exotérmicos 
liberan calor al descomponerse. En general, los AEQ endotérmicos generan 
principalmente CO2. Los AEQ exotérmicos comercialmente disponibles producen 
nitrógeno, algunas veces en combinación con otros gases. El nitrógeno es un gas 
de expansión más eficiente debido a su más baja velocidad de difusión a través de 
los polímeros en comparación con el CO2. 
 
i. AEQ endotérmicos 
El bicarbonato de sodio es el más conocido de este tipo. Comienza a 
descomponerse térmicamente alrededor de los 140°C produciendo CO2 y una 
Marco Teórico 
 
 
 
- 25 - 
 
pequeña cantidad de agua. Otros AEQ endotérmicos usualmente utilizados están 
basados en una mezcla de bicarbonato de sodio con ácido policarboxílico como el 
ácido cítrico, o una sal o un éster de un ácido policarboxílico, como el citrato de 
sodio, o el trimetil éster de citrato de sodio. Estos productos tienen un amplio rango 
de temperatura de descomposición, sin embargo, se encuentran disponibles en una 
variedad de grados para rangos específicos de temperatura de procesamiento. 
 
ii. AEQ exotérmicos 
Los AEQ exotérmicos tienen un rango de temperatura de descomposición más 
estrecho que los AEQ endotérmicos, y generalmente producen más gas. Los AEQ 
exotérmicos comercialmente más importantes son derivados de las hidracinas. En 
consecuencia, la mayor cantidad de gas generado por estos materiales es 
nitrógeno, el cual es no inflamable, no tóxico e inerte. El nitrógeno tiene una 
velocidad de difusión lenta a través de los polímeros y es un gas de expansión muy 
eficiente para la mayoría de las resinas. Otros gases como el monóxido de carbono 
(CO), CO2, y amoniaco pueden ser también generados durante la descomposición 
de los AEQ exotérmicos pero en menor cantidad. 
 
La azodicarbonamida (ACA) y sus formas modificadas continúan siendo los 
AEQ exotérmicos predominantes. La ACA pura es un polvo amarillo-naranja con 
una temperatura de descomposición de 205°C. Tras su completa descomposición, 
genera residuos sólidos blancos. Es uno de los AEQ más eficientes, generando de 
210 a 220 cm3 de gas por gramo de producto. El gas que genera es principalmente 
nitrógeno con cantidades menores de CO, CO2 y NH3. La temperatura de 
descomposición puede reducirse con la adición de sales de metales (activadores). 
Sales como las de plomo y zinc son especialmente efectivas. Entre otros 
compuestos que pueden ser utilizados para activar el proceso de descomposición 
de la ACA se encuentran la urea, alcoholes, y algunos ácidos orgánicos como el 
Marco Teórico 
 
 
 
- 26 - 
 
ácido estérico. Estas características han llevado al desarrollo de un número de 
mezclas pre-activadas de ACA para su uso en aplicaciones donde la temperatura 
de procesamiento se encuentra entre 150 y 190°C (Heck 1998). 
 
Selección del agente espumante 
Como ya se ha mencionado, los AEQ presentan ventajas sobre los AEF dado 
su fácil almacenamiento, manipulación, dosificación y control en la generación de 
gas. Sin embargo, es necesario que estos compuestos cumplan varias condiciones, 
algunas de estas se mencionan a continuación (Sempere-Alemany 2002): 
 
1. La formación de gas debe ser inocua, es decir, no deben formarse ni 
gases ni subproductos explosivos y con el fin de evitar especiales 
medidas de trabajo, también deben ser no tóxicos. 
2. Es necesario que no sean corrosivos o químicamente activos con los 
moldes, inyectores, etc., ni con el polímero ni con los aditivos restantes. 
3. Se debe de mezclar o dispersar bien en el polímero. 
4. Su descomposición debe de efectuarse a temperaturas adecuadas para 
que no existan pérdidas de gases producidas antes de la reticulación y 
expansión. Como ya se ha descrito anteriormente, dichas temperaturas 
pueden ser modificadas mediante catalizadores adecuados. 
5. Las propiedades de los subproductos no deben perjudicar las 
propiedades finales del polímero espumado, ni provocar olor ni 
modificaciones del color. 
6. Es necesario que sean estables durante su almacenamiento. 
 
 
 
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 27 - 
 
3.3 Cinética química y reacciones auto-catalíticas 
 
3.3.1 Cinética química: Introducción (Castellan 1987) 
 
Las velocidades de las reacciones químicas constituyen el campo de estudio 
de la cinética química. Por experimentación se encuentra que la velocidad de una 
reacción depende de la temperatura, la presión y las concentraciones de las 
especies implicadas. La presencia de un catalizador o inhibidor puede cambiar la 
velocidad en varios órdenes de magnitud. A partir del estudio de la velocidad de una 
reacción y de su dependencia de todos estos factores, se puede conocer mucho 
acerca de las etapas detalladas por medio de las que los reactivos se convierten en 
productos. 
 
En el curso de una reacción química, las concentraciones de todas las 
especies presentes varían con el tiempo, cambiando también las propiedades del 
sistema. La velocidad de la reacción se calcula midiendo el valor de cualquier 
propiedad adecuada que pueda relacionarse con la composición del sistema como 
una función del tiempo. La propiedad elegida debe ser de fácil medición; debe variar 
lo suficiente en el curso de la reacción como para permitir hacer una distinción 
precisa entre las diversas composiciones del sistema a medida que transcurre el 
tiempo. La propiedad elegida depende de cada reacción. Wilhelmy (1850) calculó la 
velocidad de inversión de la sacarosa midiendo el cambio con el tiempo del ángulo 
de rotación de un rayo de luz polarizada en el plano que pase a través de la solución 
de azúcar. 
 
Existen muchos métodos para seguir una reacción con el tiempo. Algunos son: 
cambios en la presión, cambios en el pH, cambios en el índice de refracción, 
cambios en la conductividadtérmica, cambios de volumen, cambios en la 
Marco Teórico 
 
 
 
- 28 - 
 
resistencia eléctrica. Si pueden aplicarse métodos físicos como estos, suelen ser 
más apropiados que los métodos químicos. No importa la propiedad que escojamos 
para la medición, los datos deben, en última instancia, traducirse a variaciones de 
concentración de los reactivos o productos en función del tiempo. 
 
3.3.2 Velocidad de reacción (Engel & Reid 2007) 
 
Consideremos la siguiente reacción química “general”: 
 
 (3.1) 
 
En la ecuación (3.1), las mayúsculas indican una especie química y las 
minúsculas representan el coeficiente estequiométrico de las especies en la 
reacción balanceada. Las especies a la izquierda y a la derecha de la flecha se 
conocen como reactantes y productos, respectivamente. El número de moles de 
una especie en cualquier momento de la reacción viene dado por: 
 
 (3.2) 
 
donde 𝑛𝑖 es el número de moles de la especie 𝑖 en cualquier momento durante la 
reacción, 𝑛𝑖
0 es el número de moles de la especie 𝑖 presente antes de iniciarse la 
reacción, 𝑣𝑖 relacionado con el coeficiente estequiométrico de la especie 𝑖, y 𝜉 
representa el avance de la reacción el cual es igual a cero al inicio de la reacción. 
La variable avance de reacción nos permite cuantificar la velocidad de la reacción 
con respecto a todas las especies, al margen de la estequiometría. Para la reacción 
descrita en la ecuación (3.1), los reactantes se consumen y los productos se forman 
durante la reacción. Para asegurar que este comportamiento se refleja en la 
𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 + ⋯ ⟶ 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 + ⋯ 
𝑛𝑖 = 𝑛𝑖
0 + 𝜈𝑖𝜉 
Marco Teórico 
 
 
 
- 29 - 
 
ecuación (3.2), 𝑣𝑖 se hace igual a −1 por el coeficiente estequiométrico de los 
reactantes, y se hace igual al coeficiente estequiométrico de los productos. 
La evolución en el tiempo de las concentraciones de los reactantes y los 
productos se cuantifica derivando ambos miembros de la ecuación (3.2) con 
respecto al tiempo: 
 
 (3.3) 
 
La velocidad de reacción se define como el cambio en el avance de la reacción 
con el tiempo: 
 
 (3.4) 
 
Con esta definición, la velocidad de reacción con respecto al cambio en el 
número de moles de una especie dada con el tiempo es: 
 
 (3.5) 
 
3.3.3 Leyes de velocidad 
 
Como ya se mencionó, la velocidad de una reacción depende generalmente 
de la temperatura, presión y concentraciones de las especies involucradas en la 
reacción. Además, la velocidad puede depender de la fase o fases en las que ocurre 
la reacción. Las reacciones homogéneas tienen lugar en una única fase, mientras 
que las reacciones heterogéneas implican más de una fase. Las reacciones que 
implican una superficie son ejemplos clásicos de reacciones heterogéneas. Para la 
mayoría de las reacciones homogéneas, se puede escribir una relación empírica 
entre las concentraciones de reactantes y la velocidad de una reacción química. 
𝑑𝑛𝑖
𝑑𝑡
= 𝜈𝑖
𝑑𝜉
𝑑𝑡
 
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =
𝑑𝜉
𝑑𝑡
 
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =
1
𝜈𝑖
𝑑𝑛𝑖
𝑑𝑡
 
Marco Teórico 
 
 
 
- 30 - 
 
Esta relación se conoce como ley de velocidad, y para la reacción mostrada en la 
ecuación (3.1) se escribe como: 
 
 (3.6) 
 
donde [A] es la concentración del reactante A, [B] es la concentración del reactante 
B, y así sucesivamente. La constante 𝛼 se conoce como orden de reacción con 
respecto a la especie A, 𝛽 el orden de reacción con respecto a la especie B, y así 
sucesivamente. El orden de la reacción global es igual a la suma de los órdenes de 
reacción individuales (𝛼 + 𝛽 + ⋯ ). Finalmente, la constante 𝑘 se conoce como 
constante de velocidad de la reacción. La constante de velocidad es independiente 
de la concentración, pero depende de la presión y la temperatura. Puesto que 𝑟 
tiene unidades de concentración dividida por el tiempo, las unidades de 𝑘 en la 
ecuación (3.6) son (concentración)1-n (tiempo)-1 donde n es el orden global de la 
reacción. 
 
3.3.4 Determinación del orden de una reacción (Fogler 2008) 
 
Los reactores intermitentes se emplean principalmente para determinar 
parámetros de ley de velocidad de reacciones homogéneas. Esta determinación se 
lleva a cabo usualmente midiendo la concentración en función del tiempo y después 
usando el método de análisis de datos diferencial, integral o de regresión no lineal 
para determinar el orden de reacción y la constante de velocidad de reacción 
específica. Si se monitorea algún parámetro de la reacción distinto de la 
concentración, como la presión, el balance molar debe reescribirse en términos de 
la variable medida. 
 
 
𝑟 = 𝑘[𝐴]𝛼[𝐵]𝛽 … 
Marco Teórico 
 
 
 
- 31 - 
 
3.3.4.1 Método diferencial de análisis 
 
Para describir el procedimiento que se usa en el método diferencial de análisis, 
consideremos una reacción simple donde la especie A se convierte a productos se 
lleva a cabo isotérmicamente en un reactor intermitente de volumen constante y 
registrando la concentración en función del tiempo. Al combinar el balance molar 
con la ley de velocidad, obtenemos: 
 
 (3.7) 
 
Después, tomando el logaritmo natural a ambos lados de la ecuación (3.7): 
 
 (3.8) 
 
obsérvese que la pendiente de una gráfica de ln(−𝑑𝐶𝐴/𝑑𝑡) en función de ln 𝐶𝐴 es el 
orden de reacción 𝛼. 
 
Para obtener la derivada −𝑑𝐶𝐴/𝑑𝑡 usada en esta gráfica se debe diferenciar 
los datos de concentración-tiempo numéricamente o gráficamente. Esto es posible 
mediante la utilización de uno de los siguientes métodos: 
 Diferenciación gráfica 
 Fórmulas de diferenciación numérica 
 Diferenciación ajustando a un polinomio 
 
3.3.4.2 Método integral 
 
Para determinar el orden de reacción por el método integral, se supone el 
orden de reacción y se integra la ecuación diferencial empleada para modelar el 
sistema intermitente. Si el orden que se asume es correcto, la gráfica apropiada 
−
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
= 𝑘𝐴𝐶𝐴
𝛼 
ln (−
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
) = 𝑙𝑛𝑘𝐴 + 𝛼𝑙𝑛𝐶𝐴 
Marco Teórico 
 
 
 
- 32 - 
 
(determinada a partir de la integración) de los datos de concentración-tiempo 
debería ser lineal. El método integral se usa con mayor frecuencia cuando el orden 
de reacción es conocido y se desea evaluar las constantes de velocidad de reacción 
específica a diferentes temperaturas para determinar la energía de activación. 
 
En el método integral de análisis de datos de velocidad, se busca la función 
apropiada de concentración que corresponde a una ley de velocidad particular que 
es lineal con respecto al tiempo. 
 
3.3.4.3 Regresión no lineal 
 
En el análisis de regresión no lineal, se busca los valores de los parámetros 
que minimizan la suma de los cuadrados de las diferencias entre los valores 
medidos y los valores calculados para todos los datos. La regresión no lineal no sólo 
permite encontrar las mejores estimaciones de valores de parámetros, puede 
también usarse para discriminar entre diferentesmodelos de leyes de velocidad, 
tales como los modelos de Langmuir-Hinshelwood. Hay muchos programas de 
computadora disponibles para encontrar tales valores de parámetros, de modo que 
basta simplemente con introducir los datos. Para llevar a cabo una búsqueda 
eficiente, en algunos casos es necesario introducir estimaciones iniciales de los 
valores de parámetros cercanos a los valores reales. 
 
3.3.4.4 Método de velocidades iniciales 
 
El uso del método diferencial de análisis de datos para determinar órdenes de 
reacción y velocidades de reacción específicas es uno de los más fáciles, ya que 
sólo requiere de un experimento. Sin embargo, efectos como la presencia de una 
reacción inversa significativa harían que el método diferencial fuese ineficaz. En 
Marco Teórico 
 
 
 
- 33 - 
 
estos casos el método de velocidades iniciales podría usarse para determinar el 
orden de reacción y la constante de velocidad específica. Aquí se lleva a cabo una 
serie de experimentos a diferentes concentraciones iniciales, 𝐶𝐴0, y se determina la 
velocidad inicial de reacción, −𝑟𝐴0, para cada experimento. La velocidad inicial, −𝑟𝐴0, 
se puede encontrar diferenciando los datos y extrapolando hasta el tiempo cero. 
 
3.3.5 Término dependiente de la temperatura en la ecuación cinética 
 
Como se mencionó al inicio de esta sección, las constantes de velocidad k 
son, generalmente, cantidades dependientes de la temperatura. 
Experimentalmente, se observa que para muchas reacciones una gráfica de ln(k) 
frente a T-1 muestra un comportamiento lineal o cercano al lineal. La siguiente 
relación empírica entre la temperatura y k, primeramente propuesta por Arrhenius a 
finales de 1800, se conoce como la expresión de Arrhenius: 
 
 (3.9) 
 
En la ecuación (3.9), la constante 𝐴 se denomina factor de frecuencia o factor 
pre-exponencial de Arrhenius, y 𝐸𝑎 es la energía de activación de la reacción. Las 
unidades del factor pre-exponencial son idénticas a las de la constante de velocidad 
y varían dependiendo del orden de la reacción. La energía de activación está en 
unidades de energía mol-1 (por ejemplo kJ mol-1). Esta expresión se ajusta bien a 
los datos experimentales en un amplio rango de temperaturas y, desde diferentes 
puntos de vista, se considera como una muy buena aproximación a la verdadera 
dependencia de la temperatura (Engel & Reid 2007). 
 
𝑘 = 𝐴𝑒𝑥𝑝 [−
𝐸𝑎
𝑅𝑇
] 
Marco Teórico 
 
 
 
- 34 - 
 
La ecuación (3.9) puede ser escrita de nuevo en el caso que se quieran 
relacionar dos constantes específicas de velocidad correspondientes a dos 
temperaturas, según: 
 
 (3.10) 
 
3.3.6 Reacciones auto-catalíticas (Levenspiel 2004) 
 
Se conoce como reacción auto-catalítica aquélla en la cual uno de los 
productos de la reacción actúa como catalizador. La reacción más sencilla de este 
tipo es: 
 
 (3.11) 
 
para la cual la ecuación cinética es: 
 
 (3.12) 
 
Como la suma de moles de las especies 𝐴 y 𝑅 permanece constante a medida 
que 𝐴 se consume, es posible escribir que en cualquier tiempo: 
 
 (3.13) 
 
Así, la ecuación de velocidad se transforma en: 
 
 (3.14) 
 
 
𝑘 = 𝑘0𝑒𝑥𝑝 [
𝐸𝑎
𝑅
(
1
𝑇0
−
1
𝑇
)] 
𝐴 + 𝑅 ⟶ 𝑅 + 𝑅 
−𝑟𝐴 = −
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
= 𝑘𝐶𝐴𝐶𝑅 
𝐶0 = 𝐶𝐴 + 𝐶𝑅 = 𝐶𝐴0 + 𝐶𝑅0 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 
−𝑟𝐴 = −
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑡
= 𝑘𝐶𝐴(𝐶0 − 𝐶𝐴) 
Marco Teórico 
 
 
 
- 35 - 
 
Rearreglando y descomponiendo en fracciones parciales, se obtiene: 
 
 (3.15) 
 
que al integrar da: 
 
 (3.16) 
 
En función de la relación inicial de reactivo, 𝑀 = 𝐶𝑅0 𝐶𝐴0⁄ , y de la conversión 
fraccional de 𝐴, 𝑋𝐴 = 1 − 𝐶𝐴 𝐶𝐴0⁄ , la ecuación (3.16) puede escribirse como: 
 
 (3.17) 
 
 
En el caso de una reacción auto-catalítica en un reactor intermitente, ha de 
existir inicialmente algo de producto 𝑅 para que la reacción se efectúe. Empezando 
con una concentración muy pequeña de 𝑅, se observa cualitativamente que la 
velocidad aumentará a medida que se vaya formando 𝑅. En el otro extremo, cuando 
𝐴 está a punto de agotarse, la velocidad debe acercarse a cero. Este resultado se 
ilustra en la figura 3.3, la cual muestra que la velocidad varía a lo largo de una 
parábola, con un máximo en el punto donde las concentraciones de 𝐴 y 𝑅 son 
iguales. 
 
 
 
 
 
 
−
𝑑𝐶𝐴
𝐶𝐴(𝐶0−𝐶𝐴)
= −
1
𝐶0
(
𝑑𝐶𝐴
𝐶𝐴
+
𝑑𝐶𝐴
(𝐶0−𝐶𝐴)
) = 𝑘𝑑𝑡 
𝑙𝑛
𝐶𝐴0(𝐶0−𝐶𝐴)
𝐶𝐴(𝐶0−𝐶𝐴0)
= 𝑙𝑛
𝐶𝑅 𝐶𝑅0⁄
𝐶𝐴 𝐶𝐴0⁄
= 𝐶0𝑘𝑡 = (𝐶𝐴0 + 𝐶𝑅0)𝑘𝑡 
𝑙𝑛
𝑀+𝑋𝐴
𝑀(1−𝑋𝐴)
= 𝐶𝐴0(𝑀 + 1)𝑘𝑡 = (𝐶𝐴0 + 𝐶𝑅0)𝑘𝑡 
Marco Teórico 
 
 
 
- 36 - 
 
 
 
Figura 3.3. Curvas conversión-tiempo y velocidad-concentración para la reacción 
auto-catalítica descrita por la ecuación (3.11). Esta forma es característica 
de este tipo de reacciones (Levenspiel 2004) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 4 
EXPERIMENTACIÓN 
En este capítulo se presenta el 
procedimiento experimental del 
estudio. Se hace la descripción de los 
materiales y equipos utilizados, así 
como de las pruebas realizadas. 
Experimentación 
 
 
 
- 38 - 
 
4.1 Materiales 
 
Los materiales empleados en este estudio fueron: polietileno lineal de media 
densidad (PELMD) RO-93650 de POLÍMEROS NACIONALES (México). Tiene un 
índice de fluidez de 5.0 g/10 min a 190°C y 2.16 kg (ASTM D1238) y una densidad 
de 0.936 g/cm3 (ASTM D792A). Agente espumante azodicarbonamida (ACA) de 
Sigma-Aldrich (USA) y aserrín de pino (Pinus spp.) recolectado de un aserradero en 
Gómez Farías, Jalisco. 
 
4.2 Preparación de la fibra de pino 
 
El aserrín de madera para la elaboración de las mezclas fue recolectado en 
las instalaciones de una industria de aserrío de trozas en Gómez Farías, Jalisco, 
México. Este aserrín proviene de maderas de pinos (P. leiophylla, P. dougloasiana 
y P. oocarpa) de la sierra principal, con un contenido de humedad mayor al 50%, 
con diversos tamaños de partículas, recién generado y libre de corteza (Figura 4.1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.1. Aserrín de pino 
Experimentación 
 
 
 
- 39 - 
 
El aserrín fue molido con un molino de martillos marca Mikro Polverizer modelo 
SH-61J78 (Figura 4.2 a) y tamizado en un tamizador Rotap modelo RX-30 (Figura 
4.2 b). Para este trabajo solo se emplearon las fibras retenidas en las mallas 40 y 
50 (fibras largas). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.3 Análisis termo-gravimétrico (TGA) 
 
Esta técnica fue utilizada para conocer el comportamiento de degradación 
térmica de la fibra y del agente espumante, para lo cual se empleó un equipo para 
análisis termo-gravimétrico de la marca TA Instruments modelo Discovery (Figura 
4.3), como porta muestras se utilizaron canastillas de platino de 100 µL. La 
atmosfera gaseosaempleada fue nitrógeno, el cual se suministró a 10 mL/min. 
 
Sobre las canastillas se colocó un aproximado de 5 a 10 mg de muestra para 
posteriormente ser colocadas en el carrusel de donde fueron tomadas 
automáticamente por el equipo para su análisis. Las muestras se programaron a un 
barrido de temperatura específico mediante un software en la computadora 
conectada al equipo, dicho barrido de temperaturas consistió en llevar las muestras 
 
Figura 4.2. a) Molino de martillos, b) Tamizador 
Experimentación 
 
 
 
- 40 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
desde una temperatura inicial de 40°C hasta una temperatura final de 500°C para 
la fibra y 700°C para el ACA a una velocidad de calentamiento de 10°C/min. 
 
Una vez terminado el análisis, es obtenido un termograma con la ayuda del 
software del equipo. El termograma consiste en la relación entre el porcentaje en 
peso de la muestra con respecto a la temperatura, de este modo es posible conocer 
información importante para el estudio tal como el contenido de humedad en la fibra 
o la temperatura de degradación de la misma. 
 
4.4 Análisis de humedad de la fibra de pino 
 
La fibra utilizada fue secada previamente en una termo-balanza Sartorius 
MA35 (Figura 4.4) para eliminar el efecto de humedad durante las pruebas de 
descomposición del agente espumante. 
 
Figura 4.3. Analizador termo-gravimétrico 
Experimentación 
 
 
 
- 41 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.5 Reómetro capilar 
 
La reometría capilar es una técnica en la cual una muestra es extruida a través 
de una boquilla o dado capilar de dimensiones conocidas y en la que se registra la 
presión de salida del material a través del mismo dado a una velocidad de flujo 
volumétrica conocida. Los reómetros capilares están formados por un barril o cañón 
de temperatura controlada que incorporan uno o más tornillos de precisión fijados a 
la salida para sostener los dados capilares. 
 
De manera específica, el reómetro capilar Rosand Rh-2000 consta de cuatro 
partes mostradas en la figura 4.5, la unidad principal que es el reómetro propiamente 
dicho, la consola de control, un control de temperaturas en donde se especifican las 
condiciones de la prueba y una computadora. La unidad principal cuenta con dos 
cámaras cilíndricas donde es alimentado el material, en la parte final de estas se 
 
Figura 4.4. Termo-balanza Sartorius MA35 
Experimentación 
 
 
 
- 42 - 
 
 
 
encuentran los tornillos de sujeción para los dados capilares. Un transductor de 
presión se encuentra montado inmediatamente sobre los dados capilares en cada 
una de las cámaras. Tres termopares están distribuidos a lo largo de la cámara para 
el control de la temperatura previamente programada. 
 
Tiene un par de pistones fijados a un cabezal que se mueve a lo largo de las 
cámaras empujando el material fundido. La velocidad a la cual desciende es 
programada en el software del equipo en la computadora generando diferentes 
velocidades de corte (𝑠−1). La unidad principal se muestra en la figura 4.6. 
 
 
 
 
 
Figura 4.5. Componentes del reómetro capilar Rosand Rh-2000 
Experimentación 
 
 
 
- 43 - 
 
 
 
 
4.5.1 Descripción de la pruebas de descomposición 
 
Para obtener los datos experimentales de presión (P) en función del tiempo (t) 
solo se utilizó una de las cámaras cilíndricas del reómetro capilar la cual cuenta con 
un transductor de presión de 68.95 MPa. Dados cerrados en la parte inferior y 
superior de la cámara fueron colocados para mantener un sistema cerrado. Las 
pruebas se llevaron a cabo desde una temperatura inicial (Ti) de 140°C hasta una 
temperatura final (TF) de 205, 210, 215 y 220°C. 
 
Se realizaron pruebas con 20 g de PELMD puro para determinar la presión 
debida al cambio de densidad del material con la temperatura y pruebas de 
descomposición con mezclas de PELMD y 0.6 g (3%) de ACA, además de diferentes 
Figura 4.6. Unidad principal del reómetro capilar Rosand Rh-2000 
Experimentación 
 
 
 
- 44 - 
 
cantidades de fibra de pino (0, 5, 10 y 15%) ajustando la cantidad de PELMD para 
obtener un total de 20 g en cada prueba. La fibra fue secada en un analizador de 
humedad Sartorius MA35 para eliminar el efecto de la humedad en las pruebas de 
descomposición. En todos los casos el material fue confinado a un volumen inicial 
constante fijando la posición del pistón. La carga del material se realizó a la 
temperatura inicial (140°C). Una vez cargado el material dentro de la cámara 
cilíndrica se activó el proceso de calentamiento del reómetro hasta alcanzar la 
temperatura final correspondiente para cada experimento cuya duración fue de 
aproximadamente 30 minutos. 
 
La presión ejercida exclusivamente por los gases generados durante la 
descomposición del ACA se determinó calculando la diferencia entre la presión 
debida al cambio de densidad del polímero puro y la presión obtenida con las 
mezclas. Los parámetros cinéticos de la descomposición fueron obtenidos mediante 
un modelo auto-catalítico utilizando como herramienta de cálculo regresión no lineal 
e integración numérica en MATLAB. 
 
Por otra parte, también se realizaron pruebas solo con PELMD y 2 g (10%) de 
fibra de pino sin ningún tratamiento previo de secado utilizando la metodología 
descrita en párrafos anteriores. 
 
4.6 Determinación de densidades 
 
Un picnómetro Quantachrome ULTRAPYC 1200e (Figura 4.7) fue utilizado 
para determinar la densidad de la fibra utilizada, el polietileno y los materiales 
compuestos espumados obtenidos en los experimentos cinéticos. El picnómetro 
utiliza nitrógeno como la fase gaseosa para medir el volumen de la muestra de peso 
conocido y de esta manera obtener la densidad del material. 
Experimentación 
 
 
 
- 45 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.7. Picnómetro de gases Quantachrome ULTRAPYC 1200e 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 5 
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN 
DE RESULTADOS 
En este capítulo se presentan y 
analizan los resultados obtenidos 
durante el trabajo de investigación. Se 
presentan en dos partes: la primera 
muestra los resultados para las 
mezclas solo con azodicarbonamida, 
mientras que la segunda parte trata con 
las mezclas donde es agregada la fibra. 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 47 - 
 
5.1 Descomposición del ACA sin la presencia de fibras naturales 
 
5.1.1 Análisis termo-gravimétrico 
 
La figura 5.1 muestra los termogramas obtenidos por TGA correspondientes a 
las muestras de azodicarbonamida y fibra de pino. En la figura 5.1a se observa la 
derivada con respecto a la temperatura DTGA (𝑑𝑤 𝑑𝑇)⁄ para la azodicarbonamida. 
Este tipo de representación identifica los cambios en las curvas de TGA los cuales 
son magnificados (Reyes-Labarta & Marcilla 2008). En la figura 5.1a se aprecian 
claramente dos picos que corresponden al menos a dos diferentes reacciones 
(ecuaciones 5.3a y 5.3b). Por otra parte, se puede observar que la descomposición 
del ACA, inicia aproximadamente a los 200°C con una descomposición máxima a 
los 235°C. Esta información será de gran importancia posteriormente para discutir 
los resultados obtenidos en los experimentos llevados a cabo en el reómetro capilar. 
 
Por otra parte, en la figura 5.1b se pueden apreciar las curvas de TGA y DTGA 
de la fibra de pino utilizada en el estudio la cual exhibe el comportamiento típico de 
degradación térmica de materiales lignocelulósicos (Kozlowski & Wladyka-
Przybylak 2008; Yao et al. 2008; Yao et al. 2009). La primera pérdida de peso 
(aprox. 7%) a temperaturas por debajo de los 100°C se relaciona con la evaporación 
de agua contenida en la fibra ya que no se llevó a cabo ningún procedimiento de 
secado previo a los análisis. 
 
El comportamiento de degradación térmico de las fibras naturales es crucial 
en el desarrollode materiales compuestos. Con base en lo reportado en la literatura 
(Chapple & Anandjiwala 2010; Moriana et al. 2014), la degradación de la fibra de 
pino comienza alrededor de los 200°C y continúa hasta los 400°C, proceso 
relacionado a la degradación de la lignina. La composición química de la fibra 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 48 - 
 
empleada en este trabajo ha sido determinada por Pérez-Fonseca et al. (2014), y 
se encuentra reportada en la tabla 5.1. 
 
 
 
 
 
 
 Extraíbles Lignina Celulosa Hemicelulosa 
% en peso 18-20 27-30 40-45 12-15 
Figura 5.1. Curvas de TGA y DTGA de los materiales puros. a) Azodicarbonamida 
y b) Fibra de pino 
Tabla 5.1. Composición química de la fibra de pino 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 49 - 
 
5.1.2 Estudio cinético 
 
Para el estudio cinético de la descomposición del ACA se analizó en primer 
lugar la dinámica de calentamiento del reómetro capilar, con la finalidad de conocer 
cómo cambia la temperatura dentro de la cámara cilíndrica en función del tiempo. 
Los resultados de este análisis son mostrados en la figura 5.2a. La temperatura 
inicia a incrementar a partir de la temperatura a la cual se realizó la carga del 
material (140°C), asegurando así que se encontrara por arriba de la temperatura de 
fusión del PELMD (≈127°C) pero a su vez, por debajo de la temperatura de 
descomposición del ACA (≈200°C). Sin embargo, para evaluar el efecto de la 
temperatura durante el proceso de espumado, solo fueron considerados los datos 
obtenidos a temperaturas superiores a la temperatura de descomposición (𝑇0), esto 
debido a que los cambios de presión producidos por los gases generados durante 
la descomposición del espumante se detectaron hasta alcanzar dicha temperatura 
(figura 5.2b). Por otra parte, fue utilizado un tiempo reducido (𝑡𝑟) que se definió 
como la diferencia (𝑡 − 𝑡0) donde 𝑡0 es el tiempo al cual se alcanza la temperatura 
de descomposición (𝑇0). El valor promedio de 𝑡0 para las mezclas PELMD/ACA y 
para las mezclas PELMD/ACA/fibra así como la correspondiente (𝑇0) son 
reportados en tabla 5.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(𝑡0
𝑎) = 12.6 𝑚𝑖𝑛 (𝑇0
𝑎) = 205°𝐶 
(𝑡0
𝑏) = 12.0 𝑚𝑖𝑛 (𝑇0
𝑏) = 202°𝐶 
Tabla 5.2. Tiempo y temperatura inicial para la descomposición 
del ACA. a) Sin fibra y b) con fibra 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 50 - 
 
Se ha reportado que la velocidad de calentamiento es un factor que influye en 
la descomposición del ACA (Sims & Jaafar 1994; Reyes-Labarta & Marcilla 2008; 
Fukushima & Colombo 2012). En nuestro caso, la velocidad de calentamiento es 
aproximadamente constante en cada una de las pruebas (5°C/min), así, es posible 
apreciar que los valores de (𝑡0) como de (𝑇0) coinciden para todas las temperaturas 
finales. 
 
Para ajustar los perfiles de temperatura experimentales, se utilizó una 
ecuación de tipo sigmoidal: 
 
 (5.1) 
 
donde 𝑇𝐹, 𝑡 y 𝑞 son parámetros de ajuste y se encuentran reportados en la tabla 
5.3 para cada una de las temperaturas finales. También son reportados los 
parámetros para los experimentos con las mezclas PELMD/ACA/Fibra. Cabe 
resaltar que los parámetros de ajuste de la ecuación (5.1) para los experimentos 
con las mezclas PELMD/ACA/Fibra son los mismos independientemente de la 
cantidad de fibra agregada. 
 
 
Para determinar la presión ejercida únicamente por los gases generados 
durante la descomposición del ACA, se calculó la diferencia entre la presión debida 
𝑇 = 𝑇𝐹 exp {− 𝑒𝑥𝑝 [
−(𝑡𝑟−𝑡)
𝑞
]} 
Tabla 5.3. Parámetros de ajuste en la ecuación 5.1 para los perfiles de temperatura 
en función de 𝑡𝑟. A) Sin fibra y B) con fibra 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 51 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5.2. Perfiles de temperatura en el reómetro capilar. a) En función del tiempo (datos 
originales) y b) en función del tiempo reducido (𝑡𝑟 = 𝑡 − 𝑡0) para las mezclas PELMD/ACA. 
Los símbolos son los datos experimentales a ○: 205°C, : 210°C, : 215°C y : 220°C. Las 
líneas continuas representan la mejor aproximación basadas en la ecuación (5.1) con los 
parámetros de la tabla 5.3 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 52 - 
 
al cambio de densidad del PELMD (símbolos abiertos en la figura 5.3a) por el 
calentamiento y la presión obtenida con la mezcla de PELMD/ACA (símbolos 
cerrados en la figura 5.3a). La diferencia entre las curvas de ambas pruebas y los 
análisis termo-gravimétricos permiten determinar el tiempo (𝑡0) y temperatura (𝑇0) 
a los cuales comienza la descomposición. De manera similar al tiempo reducido 
(𝑡𝑟), se definió una presión reducida (𝑃𝑡𝑟 = 𝑃 − 𝑃0) donde 𝑃 es la presión obtenida 
en el paso anterior (diferencia entre las curvas en la figura 5.3a) y 𝑃0 es la presión 
a la cual la descomposición inicia. La figura 5.3b muestra los resultados de la 
presión debida únicamente a los gases generados durante la descomposición del 
agente espumante. Al igual de lo que se ha reportado en la literatura, la presión en 
el equilibrio depende de la temperatura final en cada una de las pruebas (Robledo-
Ortíz et al. 2008; Fukushima & Colombo 2012). 
 
La velocidad de los procesos de descomposición térmica puede ser expresada 
como: 
 (5.2) 
 
donde 𝑑𝛼 𝑑𝑡⁄ es la velocidad de reacción, t es el tiempo de reacción, 𝑘(𝑇) es la 
constante específica de velocidad a la temperatura 𝑇 y 𝑓(𝛼) es una función 
correspondiente al modelo cinético, la cual puede tomar diferentes formas 
dependiendo del mecanismo de reacción (Wang et al. 2006). La cinética de 
descomposición térmica del ACA ha sido estudiada utilizando diferentes modelos 
(Bhatti et al. 1984a; Sempere-Alemany 2002; Reyes-Labarta & Marcilla 2012). En 
este estudio se utilizó el siguiente mecanismo (Prakash et al. 1975; Bhatti et al. 
1984a; Tai & Wang 1997): 
 
 (5.3a) 
 (5.3b) 
𝑑𝛼
𝑑𝑡
= 𝑘(𝑇)𝑓(𝛼) 
2NH2CON = NCONH2 ⟶ NHCONHCONH + 2 HNCO + NH3 + N2 
2NH2CON = NCONH2 + 2HNCO ⟶ NH2CONHNHCONH2 + 2CO + N2 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 53 - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5.3. a) Datos experimentales de presión (𝑃𝑡) de polímero puro (símbolos abiertos) y mezclas 
de PELMD/ACA (símbolos cerrados) y b) diferencia entre las curvas (𝑃𝑡𝑟) en función del tiempo 
reducido (𝑡𝑟 = 𝑡 − 𝑡0). Los símbolos de los datos experimentales son ○: 205°C, : 210°C, : 215°C y 
 : 220°C 
Análisis y Discusión de Resultados 
 
 
 
- 54 - 
 
Las reacciones involucradas en la descomposición térmica de la 
azodicarbonamida son complejas y dependen, como se mencionó anteriormente, 
de la velocidad de calentamiento y del entorno en el que transcurre la 
descomposición. Es generalmente aceptado, que en primer lugar se produce una 
descomposición primaria mediante la reacción mostrada en la ecuación (5.3a) 
rindiendo productos sólidos como urazol (NHCONHCONH) y una mezcla gaseosa 
de amoniaco (NH3), nitrógeno (N2) y ácido ciánico (HNCO) con una reacción 
secundaria (ecuación 5.3b) que tiene lugar a partir de la generación del ácido ciánico 
en la reacción 5.3a. 
 
La composición de los gases varía con la temperatura de descomposición y el 
entorno, pero normalmente estos gases están compuestos de