Resumen: Tomando como referencia el contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo determinado con una estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado, este trabajo analiza la viabilidad de utilizar un analizador de humedad halógeno para determinar el contenido de volátiles, deduce el tiempo necesario para obtener resultados equivalentes y los verifica. Los resultados muestran que el método tradicional de calentamiento en estufa consume mucho tiempo, mientras que el analizador de humedad halógeno calienta mediante una unidad de secado halógena integrada, con un calentamiento rápido y uniforme y una buena repetibilidad; la pesada y el calentamiento se completan en un solo paso. El uso de un analizador de humedad halógeno para determinar el contenido de volátiles puede mejorar enormemente la eficiencia del ensayo y satisfacer las necesidades del ensayo de producción y del control de calidad, con un error relativo inferior al 5 % entre ambos métodos.

El polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo es un polisiloxano reactivo lineal —un polisiloxano de cadena lineal funcional de silicona, con grupos funcionales hidroxilo unidos directamente a los átomos de silicio de ambos extremos—. Mediante reacciones posteriores, este polisiloxano funcional de silicona puede transformarse en polisiloxanos lineales o reticulados de alta masa molar. Es la principal materia prima de productos como el caucho de silicona vulcanizado a temperatura ambiente, uno de los principales productos de la industria de la silicona, con gran volumen de producción y amplia aplicación.

Dado que diversos factores del proceso de producción pueden afectar al contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo y, por tanto, a la calidad del producto terminado, la norma nacional ha establecido requisitos técnicos para el contenido de volátiles y lo ha incluido como partida de ensayo en la inspección de tipo y en la inspección ordinaria.

Los principales métodos para determinar los volátiles son el método de la estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado y el método del analizador de humedad halógeno. El método de la estufa tiene un principio claro, una operación sencilla, una gran reproducibilidad y un bajo costo de instrumentación, y por lo general es adecuado para la autoverificación de los fabricantes y la inspección de recepción; sin embargo, consume mucho tiempo y no permite ensayar rápidamente un gran número de muestras, lo que supone una cierta limitación. El método del analizador de humedad halógeno utiliza una lámpara halógena como fuente de calentamiento y determina los volátiles según el principio termogravimétrico, con un calentamiento rápido y uniforme que seca rápidamente las muestras y proporciona resultados de volátiles exactos y con buena reproducibilidad.

En muchos entornos industriales y de laboratorio, el método del analizador de humedad halógeno ha sustituido gradualmente al método de la estufa gracias a su operación sencilla, su rapidez de ensayo, sus bajos requisitos de muestra y su excelente concordancia con el método de la estufa.

En este experimento, tomando como referencia los resultados del método de la estufa, se analiza la viabilidad de determinar el contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo con un analizador de humedad halógeno y se deduce el tiempo de ensayo necesario.

1. Experimento

1.1 Reactivos e instrumentos principales

Polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo: viscosidad 20000 mPa·s, 50000 mPa·s y 80000 mPa·s.

Estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado; analizador de humedad halógeno de la serie VM-E de VicoMeter. Los vídeos de presentación de los instrumentos son los siguientes:

1.2 Determinación del contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo

1.2.1 Método de la estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado

Pese (4±0,5) g de muestra en un pesasustancias de masa constante, colóquelo en la estufa a (150±2) °C durante 3 h, retírelo, enfríelo a temperatura ambiente en un desecador (unos 30 min) y péselo. Calcule el contenido de volátiles con la ecuación 1. Cada muestra se mide dos veces y se toma el valor promedio.

w(volátiles)=[(m1-m2)/(m1-m0)]x100 %

donde w(volátiles) es la fracción másica de volátiles, %; m0 es la masa del pesasustancias, g; m1 es la masa de la muestra y del pesasustancias antes del secado, g; m2 es la masa de la muestra y del pesasustancias después del secado, g.

1.2.2 Método del analizador de humedad halógeno

Pese (4±0,5) g de muestra en la bandeja de aluminio del analizador de humedad halógeno. Ajuste la temperatura de ensayo a 150 °C y el modo de parada a manual; cierre la unidad de secado y, cuando la temperatura mostrada alcance los 150 °C y se estabilice, comience a cronometrar. Registre el contenido de volátiles que aparece en la pantalla a los 3 min, 5 min, 7 min y 10 min (si el valor a los 10 min no coincide con el resultado del método de la estufa, prolongue el tiempo de ensayo). Cada muestra se mide dos veces y se toma el valor promedio.

2. Resultados y discusión

2.1 Análisis de los datos

2.1.1 Determinación del error relativo razonable del contenido de volátiles de la muestra

El error relativo del contenido de volátiles de la muestra se calcula con la ecuación 2.

δ=(X－X1)/X1×100%

donde δ es el error relativo, %; X es la fracción másica de volátiles medida, %; X1 es la fracción másica promedio de volátiles, %.

Mediante el método de la estufa se ensayaron 55 lotes de muestras, con un error relativo promedio del contenido de volátiles del 5,31 %. Para garantizar resultados más exactos y un cálculo práctico, el error relativo razonable del contenido de volátiles se fijó en el 5 %.

2.1.2 Viabilidad de la determinación del contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo mediante un analizador de humedad halógeno

Se seleccionaron aleatoriamente muestras de un lote del experimento anterior para realizar ensayos con tiempo prolongado; los resultados se muestran en la tabla 1.

Tabla 1 Relación entre el tiempo de ensayo y el contenido de volátiles de un lote de muestras

Como se muestra en la tabla 1, el contenido de volátiles aumenta con el tiempo de calentamiento en el analizador de humedad halógeno; por lo tanto, el uso de un analizador de humedad halógeno para determinar el contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo es preliminarmente viable.

2.1.3 Determinación del tiempo de ensayo del método del analizador de humedad halógeno

Los 55 lotes de muestras de 2.1.1 se ensayaron con el analizador de humedad halógeno, registrando el contenido de volátiles en cada punto de tiempo y trazando las curvas.

La figura 1 muestra la curva del tiempo de ensayo frente a la fracción másica de volátiles para el lote de viscosidad 1500 mPa·s.

Figura 1 Tiempo de ensayo frente a fracción másica de volátiles para el lote de 1500 mPa·s

A partir del error relativo razonable determinado en 2.1.1 y de los valores promedio del método de la estufa, se utilizaron las curvas para hallar el intervalo teórico de tiempo de ensayo del analizador de humedad halógeno dentro del margen de error razonable del contenido de volátiles de cada muestra.

Las estadísticas muestran que, dentro del intervalo teórico de tiempo de ensayo de 5,5-7,5 min, 50 lotes de muestras (el 90,91 % del total) dieron contenidos de volátiles dentro del margen de error razonable; de ellos, 28 lotes (el 56 % de los 50) midieron dentro del margen de error razonable en el punto teórico de 6,5 min, y otros 10 lotes se aproximaron al punto de 6,5 min. Por ello, el tiempo de ensayo del analizador de humedad halógeno se fijó en 6,5 min.

2.2 Verificación del tiempo de detección del analizador de humedad halógeno

Con el tiempo de detección deducido del analizador de humedad halógeno se realizó una verificación en 17 lotes de muestras; los resultados se muestran en la tabla 2.

Como se muestra en la tabla 2, el error relativo entre el contenido de volátiles de las muestras calentadas durante 6,5 min con el analizador de humedad halógeno y el de las muestras calentadas durante 3 h en una estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado fue inferior al 5 %.

Tabla 2 Relación entre los valores medios medidos con la estufa eléctrica termostática de secado por aire forzado y los valores medios medidos con el analizador de humedad halógeno a 6,5 min

Nota: 1) Relación entre la diferencia absoluta del valor medio medido con el analizador de humedad halógeno y el de la estufa de secado, y el valor medio de la estufa.

3. Conclusión

La determinación del contenido de volátiles del polidimetilsiloxano con terminación hidroxilo con el método tradicional de la estufa consume mucho tiempo, mientras que el analizador de humedad halógeno calienta mediante una unidad de secado halógena integrada: rápido, uniforme y con alta repetibilidad, con la pesada y el calentamiento completados en un solo paso. Mejora enormemente la eficiencia del ensayo, satisface con facilidad las necesidades de producción y de control de calidad, y presenta un error relativo inferior al 5 % frente al método de la estufa.

Referencias

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