LIFE11 ENV/ES/000569

Acción B2. Desarrollo de una formulación de ceras más biodegradable Development of a more biodegradable wax formulation

LIFE+ MINAQUA Proyecto de demostración de ahorro de agua en instalaciones de lavado de vehículos mediante el uso de detergentes innovadores y tratamiento natural de las aguas residuales Demonstration project for water in car wash premises using innovative detergents and soft treatment systems

Mayo, 2014

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ÍNDICE DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 5 FORMULACION DE PRODUCTO DE ACABADO UTILIZANDO CERA DE CARNAUBA .......... 9 RESULTADOS ................................................................................................................... 11 Eficacia de la aplicación del nuevo producto de acabado ...................................................... 11 Análisis de la formulación de producto de acabado ............................................................... 13

CONCLUSIONES............................................................................................................... 16 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 16

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Perfil transversal de una plancha de un vehículo sin la protección de la capa de cera .............................................................................................................................. 5 Figura 2. Perfil transversal de una plancha de un vehículo protegida por una capa de cera ................................................................................................................................... 6 Figura 3. Ejemplo de protección con ceras y aditivos anticorrosión ............................... 7 Figura 4. Cera de Carnauba .............................................................................................. 9 Figura 5. Efecto protector de la capa de cera sobre planchas de acero y de aluminio . 11 Figura 6. Efecto protector de la capa de cera sobre planchas lavadas con la formulación de detergente de acero y de aluminio mantenidas en la intemperie durante 20 días . 12 Figura 7. Ángulo de contacto sobre acero ..................................................................... 15 Figura 8. Ángulo de contacto sobre aluminio ................................................................ 15

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Formulación desarrollada ................................................................................. 10 Tabla 2. Resultados del análisis de la formulación ........................................................ 13 Tabla 3. Resultados de tensión superficial ..................................................................... 14

Acción B2. Formulación de productos de acabado

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INTRODUCCIÓN Del mismo modo que en la formulación de nuevos detergentes se ha tenido en cuenta lo descrito en el documento de la Acción A4, “Informe sobre los mecanismo de biodegradabilidad”. A la hora de formular los productos de acabado también se ha priorizado la biodegradabilidad del producto así como la minimización de compuestos que pudieran afectar al posterior tratamiento de residuos. El proceso de encerado de vehículos consiste en la aplicación de una capa protectora sobre la capa de pintura y la capa de brillo transparente de un automóvil (ver Figura 1). La capa de cera le da un brillo adicional a la superficie del vehículo y protege la pintura de la acción de los elementos, evitando que el agua se acumule y haciendo que se deslice. La cera también tiene cierta capacidad de filtrar la luz ultravioleta y evita la decoloración que es uno de los efectos más comunes que provoca el paso del tiempo (ver Figura 2).

Capa transparente protectora Capa de color Capa imprimación Plancha metálica

Figura 1. Perfil transversal de una plancha de un vehículo sin la protección de la capa de cera

La cera también ayuda a retrasar la oxidación mediante la formación de una barrera física entre el metal y las sales, aceites, y otros contaminantes a los que el automóvil está expuesto a lo largo de su vida útil.

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La cera para auto puede obtenerse en dos formatos distintos: pasta y líquido. En el presente proyecto se desarrollará una formulación de cera líquida que crea una capa más delgada que la cera en forma de pasta pero es la que más se adecúa al sistema de trabajo de las estaciones de lavado del proyecto.

Capa transparente protectora Capa de color Capa imprimación Plancha metálica

Figura 2. Perfil transversal de una plancha de un vehículo protegida por una capa de cera

Tradicionalmente, una formulación de ceras para acabado en el lavado de vehículos consiste en una mezcla de diversos productos: 

Ceras: Químicamente, las ceras son un tipo de lípido que puede contener una amplia variedad de alcanos de cadena larga, ésteres, poliésteres y hidroxiésteres obtenidos de alcoholes primarios de cadena larga y ácidos grasos. Habitualmente se distinguen de las grasas por la ausencia de ésteres de triglicéridos de propano-1,2,3-triol de glicerina con tres ácidos grasos. En este tipo de compuestos el contenido en ésteres contribuye al elevado punto de fusión y a su dureza. Estas sustancias pueden tener un origen natural o bien sintético. Acostumbran a ser sólidos a temperatura ambiente (25°C), son insolubles en agua y solubles en aceites. Su aplicación genera una capa hidrófoba en superficie. Los compuestos más habituales son: cera de Carnauba, ceras de polietileno, parafinas, parafinas oxidadas, cera de abejas, etc.

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

Aceites naturales y/o minerales: Este ingrediente se utiliza básicamente para la limpieza de la superficie y como sistema carrier. También hace que los productos se puedan aplicar con mayor facilidad, dado que las ceras tienen una naturaleza más rígida.



Destilados de petróleo: Al igual que los aceites, su funcionalidad está indicada para la limpieza y preparación de las superficie.



Polímeros o resinas sintéticos: En algunos casos la adición de estos compuestos confieren una mayor transparencia; si además, se trata de resinas que curan, mejoran la durabilidad de la capa protectora.



Aminas secundarias alifáticas: Este tipo de productos pueden ser necesarios para dar mayor estabilidad a la emulsión de las ceras en fase acuosa de manera que el producto ofrezca mayores garantías aunque el tiempo de almacenaje sea largo.



Amoniaco o hidróxido amónico: Dada la capa de protección que confiere la formulación a los paneles del vehículo, la adición de este producto aportará también cierta protección contra la corrosión de los mismos. Este punto es importante sobretodo en el caso de que la plancha del vehículo pueda tener pequeñas ralladas o fisuras dejando la parte metálica al descubierto (Figura 3).

Capa de cera Capa transparente protectora Capa de color Capa imprimación Plancha metálica

Figura 3. Ejemplo de protección con ceras y aditivos anticorrosión

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

Agentes emulsionantes: Estos compuestos son necesarios en la formulación a fin de obtener un producto homogéneo y estable. Si la formulación se desestabiliza se pueden producir sedimentaciones que alteren la composición del producto o bien se traduzcan en problemas a la hora de su aplicación.

Esta composición se debe a que habitualmente, los productos sellantes de las pinturas empleadas en los vehículos están fabricados a partir de ceras sintéticas que protegen la superficie. Así pues, la aplicación de una formulación que contenga también ceras ayuda a proteger mejor al vehículos después de una etapa de lavado. En algunas ocasiones, estos sellantes pueden estar compuestos por otro tipo de polímeros y/o siliconas que en principio se adhieren mejor a la superficie. Sin embargo, este tipo de productos no ofrece tanto brillo en el acabado final. A pesar de la complejidad aparente de las formulaciones de este tipo de productos, la química involucrada es muy básica. Los principales factores que hay que tener en cuenta son: facilidad de aplicación, capacidad de llenado, brillo, durabilidad y resistencia a la intemperie. Los productos de acabado (habitualmente conocidos con el nombre de ceras), ya estén compuestos por ingredientes naturales o sintéticos, confieren pues una capa de protección o bien una barrera de “sacrificio” contra la intemperie o sustancias perjudiciales o corrosivas. Sin esta capa de protección el vehículo puede quedar expuesto, y además el efecto del lavado dura menos tiempo. La aplicación de los productos de acabado basados en ceras, también produce otros efectos entre los cuales se pueden destacar los siguientes:      

Aumento de la claridad óptica Mejora de las características reflectivas de los acabados en colores medio y oscuros Dar brillo y protección contra la suciedad. Rellenar ralladas y disimularlas Conferir protección UV Modificar la tensión superficial a fin de cambiar la interacción con el agua

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FORMULACION DE PRODUCTO DE ACABADO UTILIZANDO CERA DE CARNAUBA Siguiendo la filosofía del proyecto, se pretende realizar una formulación de ceras en la que se minimicen al máximo la presencia de ingredientes sintéticos que puedan ser tóxicos y que dificulten el posterior tratamiento de las aguas que provienen del tren de lavado. Por esta razón se elige como crea de acabado la cera de Carnauba (Figura 4).

Figura 4. Cera de Carnauba

Este producto se obtiene originariamente de las hojas de la palma Copernicia prunifera endémica de Sudamérica. Esta cera se conoce también como la “reina de las ceras”, debido a sus características e infinidad de aplicaciones que posee. Este tipo de cera destaca por sus propiedades de brillo y su dureza que confiere una alta resistencia al desgaste. Su punto de fusión es de 78ºC a 85ºC, el más alto entre las ceras naturales. La cera de carnauba contiene principalmente ésteres de ácidos grasos (80-85%), alcoholes grasos (10-15%), ácidos (3-6%) e hidrocarburos (1-3%). Concretamente y en referencia a la proporción de ácidos, se ha determinado que aproximadamente contiene un 20% de dioles esterificados grasos, cerca de un 6% de ácidos grasos hidroxilados y alrededor de un 10% de ácido cinámico. Así pues, por todo lo expuesto hasta este punto en el presente proyecto se ha optado por el uso de esta cera en el formulado del producto de acabado en los trenes de lavado de vehículos. La formulación del producto se ha realizando minimizando la Acción B2. Formulación de productos de acabado

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presencia de aquellos productos que pueden suponer una contrariedad durante el posterior tratamiento de las aguas residuales desarrollado en otras acciones del presente proyecto. La Tabla 1 describe la proporción de los ingredientes de la formulación desarrollada. Tabla 1. Formulación desarrollada INGREDIENTES

PROPORCIÓN (%)

Goma guar

0,3

Ácido Esteárico

0,5

Cera de Carnauba (40%)

3

Polietilenglicol (PEG) 6000

1

Agua

95,2

En este tipo de productos es necesario seguir un protocolo de mezcla bien definido para conseguir una buena incorporación de los diferentes ingredientes. La realización de las formulaciones en el laboratorio se ha realizado siguiendo la metodología descrita a continuación: 1. Mezcla de todos los ingredientes de la formulación excepto el ácido esteárico. 2. Calentar la mezcla a 85ºC y agitar moderadamente. 3. Añadir el ácido esteárico 4. Mantener agitación y temperatura hasta conseguir una mezcla completamente homogénea.

La formulación resultante se presenta estable a lo largo del tiempo sin presentar ningún tipo de sedimento en reposo. Acción B2. Formulación de productos de acabado

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RESULTADOS Eficacia de la aplicación del nuevo producto de acabado Se ha podido comprobar que la aplicación del producto de acabado sobre planchas metálicas ha proporcionado a las mismas una capa de protección que ha hecho que el efecto de lavado tenga una durabilidad mucho mayor (ver Figura 5).

ACERO

ALUMINIO

Formulación 100% 1

2

Formulación diluida 1:10 3

4

Sin formulación de acabado 5

7

Figura 5. Efecto protector de la capa de cera sobre planchas de acero y de aluminio

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ACERO

ALUMINIO

Detergente: F8 , dilución1:50 Cera: dilución 1:10

Sin tratamiento

Figura 6. Efecto protector de la capa de cera sobre planchas lavadas con la formulación de detergente de acero y de aluminio mantenidas en la intemperie durante 20 días

Tal y como puede observarse en la Figura 5, las planchas que han sido protegidas por una capa de la formulación de producto de acabado base cera, mantiene un aspecto brillante (las que obtienen mejores resultados son las planchas 3 y 4, esto es con la dilución del producto 1:10); también se comprueba que la capa de cera aplicada hace que la suciedad no se adhiera en la superficie. Cabe destacar que las placas presentadas en la Figura 6 han estado lavadas con el detergente desarrollado en el presente proyecto. A continuación se ha aplicado en spray la formulación de producto de acabado (con la dilución 1:10 ya que presentó mejores resultados que la concentrada, en la cual se había adherido un poco de polvo – ver Figura 5 planchas 1 y 2). De esta forma, aplicando primero el detergente y luego la cera, se ha emulado tanto la fase de lavado como de acabado que se da en los túneles de lavado de vehículos. Las planchas así tratadas han estado colocadas a la intemperie durante un periodo de 20 días. No se ha hecho ningún otro tratamiento sobre las mismas. Acción B2. Formulación de productos de acabado

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Análisis de la formulación de producto de acabado El producto se ha analizado tan en su modo concentrado como su dilución 1:10 que será la dilución de aplicación dados los resultados obtenidos. Tabla 2. Resultados del análisis de la formulación Formulación

pH

Densidad

Formulación de producto de acabado 100%

8,50

1,061 gr/mL

Formulación de producto de acabado diluido 1:10

8,45

1,074 gr/mL

Por otro lado también se ha determinado también la tensión superficial del producto. Este es un factor muy importante de cara a poder evaluar la capacidad de mojado de la formulación, es decir, la capacidad de cubrir que tiene el producto. Este análisis se ha realizado aplicando la ley de Tate que permite la realización de medidas relativas de la tensión superficial. En este procedimiento, sabiendo la tensión superficial del agua, se puede medir la tensión superficial de la formulación del producto de acabado.

La Ley de Tate parte de la siguiente hipótesis (Ecuación 1):

Ecuación 1

m / m’ = ’ m= masa de la gota de agua m’ = masa de la gota de producto

= Tensión superficial del agua (0,0728 N/m) ’= Tensión superficial del producto

 Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 3.

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Tabla 3. Resultados de tensión superficial Agua (gr.)

Formulación (100%)

Formulación (1:10)

0,0058

0,0036

0,0045

0,0057

0,0042

0,0047

0,0059

0,0045

0,0050

0,0060

0,0044

0,0045

0,0058

0,0043

0,0049

0,0060

0,0042

0,0043

0,0058

0,0043

0,0044

0,0058

0,0046

0,0048

0,0061

0,0043

0,0047

0,0059

0,0041

0,0047

Masa promedio (gr)

0,0059

0,0041

0,0047

Desviación estándar

0,000123

0,0000271

0,000222

Tensión superficial (, N/m)

0,0728

0,0526

0,0576

 Los resultados obtenidos muestran como la tensión superficial del producto de acabado (tanto concentrado como su dilución 1:10) es inferior a la del agua sobre las placas testadas. Este efecto será favorable en lo referente a la capacidad de mojar del producto con lo que nos aseguramos que el recubrimiento se repartirá eficientemente por la superficie sin dejar gotas o zonas sin proteger. Por otro lado, también se ha realizado una comprobación de la capacidad de alteración del producto de acabado sobre acero y aluminio, a fin de confirmar el aumento de

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hidrofobicidad de la superficie. Este efecto es uno de los responsables de la capacidad de mantener el acabado de vehículo por un periodo de tiempo más largo. Esta comprobación se ha realizado mediante la técnica del ángulo de contacto. Esta técnica permite obtener la imagen de una gota de líquido (agua en el presente análisis) sobre la superficie en estudio (Figuras 7-8).

Agua sobre acero sin tratar

Agua sobre acero tratado (a los 20 días)

Figura 7. Ángulo de contacto sobre acero

Agua sobre aluminio sin tratar

Agua sobre aluminio tratado (a los 20 días)

Figura 8. Ángulo de contacto sobre aluminio

Las imágenes obtenidas por la técnica de ángulo de contacto permiten observar que realmente el efecto hidrófobo que proporciona la capa de cera se mantiene a lo largo del tiempo, es decir, el ángulo de contacto de la gota de agua es superior en las placas tratadas que en las placas sin encerar. Como ya se ha comentado anteriormente, esta hidrofobicidad está directamente relacionada con la capacidad de alargar el efecto protector sobre el vehículo. Acción B2. Formulación de productos de acabado

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CONCLUSIONES Se ha realizado una formulación de producto de acabado que permite mantener el vehículo limpio por un periodo más largo de tiempo. La formulación de este nuevo producto se ha realizado siguiendo la misma filosofía que en la formulación del detergente; es decir, minimizando la presencia de todos aquellos componentes que puedan ser tóxicos o perjudiciales durante el posterior tratamiento del agua residual generada en el tren de lavado. De esta manera puede asegurarse que la totalidad de los productos utilizados para el lavado y encerado de los vehículos está compuesta por productos biodegradables que no ofrecerán resistencia al posterior tratamiento de las aguas generadas. Así mismo, se ha intentado trabajar en condiciones de concentración mínimas para que la reutilización de las aguas generadas sea, si cabe, más sencilla.

BIBLIOGRAFÍA B.R. Dunning (2011),” Composition for washing and waxing a motor vehicle”, US 2011/0172135 K.R.Smithc (2006), “Wax composition , method for manufacturing, and method for waxing”, US 2006/0100117. D. Gemma and G. Pellegrino (2008), “Compolwax”, US 2008/0102195. F. Berton and G. Berton (2013), “ Composition for vehicle care”, WO 2013/050817 A1.

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