Ciencias de los materiales

PJ-CM-280-JG Pegamento casero no tóxico

Salud y Bienestar

Asesor: MARISA CALLE MONROY

Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)

Ricardo Andrés Cruz Cruz[Tercero Tikal], Zoe Natalia Mora Ceballos[Tercero Tikal], Sarahí Esperilla Mendoza[Tercero Tikal]

Resumen

Existe evidencia histórica que señala el uso de pegamentos desde la prehistoria, sin embargo, fue hasta el siglo XVIII donde se comienza a estudiar el potencial de estos, la industria fue desarrollando pegamentos a base de materias altamente contaminantes. Muchos adhesivos comerciales son elaborados a base de diversos componentes químicos que son tóxicos (petróleo y acetato), tanto para el ambiente, ya que estos compuestos lo dañan de manera significativa, como para la ingesta humana que se presenta mayormente en niños. Se realizó una investigación previa a la elaboración del primer prototipo, evaluamos los diversos tipos de adhesivos de uso comercial, también se determinó que materiales, procedimientos y herramientas serían utilizadas para la elaboración de este. Se busca que el producto cumpla con las características necesarias para conservar el ambiente y garantizar el uso seguro en menores, sin perder las propiedades de un pegamento común. Nuestros materiales base que son el chicozapote y la miel poseen propiedades antioxidantes, antidiabéticas, hipocolesterolémicos y antibacterianas esto con el fin de garantizar la seguridad del menor si llegase a ingerirlo. Al ser un producto inusual e innovador el hayar una combinación de materiales que, así mismo, se complementaran para conseguir el producto deseado, fue problemático debido a los altos estándares de salubridad al elaborar un producto orgánico y comestible. El precio del producto varía dependiendo del tamaño y la calidad de los materiales, considerando esos aspectos y la inversión en nuestro producto, con una capacidad de 36 gr está valuados en $30 M.X.N

Pregunta de Investigación

¿Cómo elaborar pegamento casero no tóxico a base de chicozapote?

Planteamiento del Problema

Una de las fuentes de contaminación común, es el uso de productos domésticos, que están hechos a base de químicos que dañan el ecosistema de manera significativa; a gran escala la contaminación en la que contribuyen los adhesivos pueden ocasionar un impacto negativo al bienestar del ambiente en general, debido a que el material principal del que estan echos la mayoria de los adhesivos es el petróleo, y dicho materia contribuye a la contaminación marítima, lo cual provoca que la fauna que habita en la zona de deshecho se vea afectada, por ende también alimentos que consumimos, y si bien, como vemos todo esto ocasiona un efecto dominó.

Un problema que está presente además de la contaminación es que algunos de estos productos están elaborados para manipulación recreativa con niños, un ejemplo claramente sería la escuela incluyendo las actividades STAEM; usualmente los menores tienden a ingerir pegamentos comerciales, lo cual causa un daño grave en su sistema, en específico el digestivo.

Antecedentes

La historia de los adhesivos y pegamentos como ciencia, tecnología y medio para unir materiales nace en los primeros vestigios de los hombres de la prehistoria, durante esta época de la historia se utilizaban adhesivos de origen natural para la creación de pinturas así como la fabricación de armas y utensilios, durante un largo periodo de la historia antigua los adhesivos eran conocidos y utilizados por las diversas culturas y civilizaciones de la Tierra, los sumerios, babilonios, egipcios, chinos, romanos y griegos entre otros utilizaron los adhesivos en numerosas edificaciones y construcciones de objetos de diversa índole.

La ciencia y el estudio de los adhesivos desaparece por completo durante un largo periodo de tiempo tras la caída del imperio romano en occidente, dando paso a una época de oscurantismo en este campo.

Fue a partir del siglo XVIII donde comienza de nuevo el estudio y aplicación de los materiales adhesivos como medio de unión, siendo los comienzos del siglo XX, gracias a la revolución industrial, la época donde se desarrolló la ciencia de los polímeros y con ello nacieron los adhesivos sintetizados en el laboratorio permitiendo crear nuevos materiales y nuevos diseños utilizados en una amplia gama de industrias.

Con objeto de conocer la historia de los adhesivos y pegamentos, a continuación se expone una serie de hitos donde podemos comprender y entender la cronología e importancia que los adhesivos han ocupado en nuestra civilización:

  • Prehistoria – Los hombres de la prehistoria utilizaban la sangre animal como ligante adhesivo para la fabricación de pinturas que utilizaban durante los primeros vestigios del arte rupestre, también utilizaron la arcilla como material de unión para la edificación así como otros de origen animal y vegetal como los adhesivos creados de la corteza de abedul o de los huesos de animales.
  • Año 1750 – Se realiza en Inglaterra la primera patente sobre un adhesivo, siendo este de origen animal.
  • 1845 – Horace H. Day inventa y patenta los primeros adhesivos de presión basados en gomas naturales.
  • 1909 – Leo Hendrik Baekeland patentó la resina fenólica, comenzando la era de los plásticos y adhesivos industriales.

El pegamento es una sustancia que puede mantener unidos dos o más cuerpos por contacto superficial.

Los pegamentos han sido un producto de uso cotidiano en ambientes escolares, principalmente utilizado por niños pequeños, usualmente este es conocido por ser un agente contaminante presente en el ambiente, y dañino para la salud.

Los componentes químicos de los pegamentos comerciales usualmente también se manifiestan en aerosoles; la mayoría de los productos de uso doméstico contribuyen a la mitad de la contaminación ambiental, teniendo consecuencias en la salud de manera irreversible a mediano y largo plazo.

A pesar de la gran variedad de productos adhesivos sintéticos que existen, y las diferencias químicas presentes entre estos, la mayoría están compuestos en gran parte por agentes corrosivos, contaminantes y aerosoles que suponen un alto riesgo sanitario a la población que está expuesta a estos.

El pegamento industrial y comercial normalmente está hecho a base de acetato de polivinilo, que es un polímero sintético, el cual no debe exceder de los 4 ppm en el aire del lugar de trabajo, para cualquier exposición de 15 minutos de duración debido a su gran porcentaje de contaminación ambiental.

Existen distintas formas de elaborar pegamento, una de ellas es hacerlo a base de petróleo, el cual puede emitir compuestos orgánicos volátiles (COV), perjudiciales para la salud; dichos compuestos también se escapan a la atmósfera, además, son sustancias químicas que contienen carbono y se convierten en vapores o gases.

El caucho ha sido un pegamento mucho antes de la primera revolución industrial, actualmente esta sustancia es refinada para evitar que los hongos y bacterias presentes en este afecten de manera negativa al uso a largo plazo.

Es posible encontrar una alta variedad de cauchos, desde los fáciles de encontrar en la naturaleza, hasta los materiales sintéticos, derivados del petroleo, también es caracterizado por su bajo costo para adherir sustancias de gran tamaño.

Los adhesivos de poliuretano tienen una presentación en diferentes formatos, pueden ser espumas, cauchos, revestimientos,  geles o líquidos; este tipo de pegamentos son caracterizados por la flexibilidad, absorción y durabilidad.

Su uso es más frecuente en construcciones, y la industria transportista, es más frecuente en el uso de materiales de uso doméstico (Madera, acero, plásticos, ladrillo, etc), tiene un uso relevante en diversas industrias.

El uso de pegamentos a base de acrílicos se remonta a la Segunda Guerra Mundial, donde fue descubierto accidentalmente por la industria armamentista al tratar de encontrar una sustancia plástica para fabricar armamento, actualmente su uso es muy variado, y se caracteriza por su rapidez en el secado, su alta resistencia a la cizalladura de 1000 psi le ha dado una reputación notoria, siendo de uso común en los componentes electrónicos, debido a su bajo costo y alta resistencia.

Silicones líquidos son muy comunes en la industria de la construcción, ya que presentan una tensión superficial baja, por lo que es muy utilizado como adherente para las superficies domésticas.

Estos también son conocidos por su característica de selladores, teniendo un uso muy amplio, especialmente por su alta resistencia a altas temperaturas, y su amplia capacidad de adherencia a diversas sustancias de uso doméstico; presenta una resistencia a la exposición al ambiente, su bajo costo ha hecho que sea de los pegamentos más utilizados en la industria, además de son altamente resistentes a la radiación solar.

Los productos domésticos, incluyendo el pegamento liberan COV y son la mitad de las emisiones vinculadas a combustibles fósiles en las grandes ciudades de países industrializados

Científicos de la Universidad de Colorado en Boulder hicieron un estudio, a través de diferentes modelos informáticos, los científicos calcularon las emisiones de COV de los productos domésticos incluyendo los adhesivos, de uso corriente a partir de los estudios de laboratorio, de datos de consumo de estos productos y de sus coeficientes de emisiones de los edificios.

Después, cotejaron todos los datos con medidas de contaminación del aire urbano en la ciudad de Los Ángeles.

Los resultados arrojaron que 46 por ciento de los productos contaminantes más peligrosos procedentes de los COV son de consumo corriente en los hogares.

La mayoría de los adhesivos a base de solventes son utilizados en múltiples propósitos, su principal característica es la rapidez de secado, son constituidos principalmente de resinas o derivados del petróleo, además de los ya mencionados solventes, como el alcohol o la  acetona, la mayoría de estos tienen un uso industrial, ya que son capaces de disolver sustancias susceptibles a la corrosión.

Existen varios tipos de pegamentos de uso común:

  • “De contacto”
  • “Reactivos”

El uso de cada uno de estos varía dependiendo de la sustancia donde va a ser aplicado, o el propósito.

Los adhesivos “reactivos” suelen tener una reacción, como su  nombre lo indica, a alguna sustancia o condición, existen pegamentos que reaccionan a la humedad presente en el ambiente, a los rayos UVA, el oxígeno y los metales (estos últimos siendo de uso industrial).

En cambio, los “de contacto” no necesitan una sustancia reactiva, simplemente es necesario ejercer presión sobre las superficies a pegar. Este tipo de adhesivo reacciona con el secado, el tiempo de evaporación varía dependiendo del disolvente utilizado, casi de forma inmediata puede ser sometido a presión o fuerza.

Otro recurso utilizado en la elaboración de adhesivos es el epoxi, es uno de los químicos adhesivos más diversos que se pueden encontrar, además de su largo tiempo de uso, que data de la década de 1940.

Muchas de las variaciones de los epoxis son para altas o bajas temperaturas, superficies flexibles o rígidas, reforzados o frágiles, etc.

La mayoría de estos son de uso industrial, para adherir superficies de gran tamaño, o donde la superficie de pegado es mínima, su uso principal es en la industria aeroespacial, armamentista y transporte, otra de sus principales características es la resistencia a agentes químicos o altas temperaturas.

Existe una alta variedad de químicos, acrílicos, solventes o sustancias naturales para elaborar pegamentos, sin embargo, la mayoría de estos representan un riesgo sanitario y ambiental. 

Nuestro material principal para la creación de nuestro producto es el chicozapote, éste es un fruto que se obtiene de un árbol con el mismo nombre; éste (Manilkara zapota) es un árbol de la familia de las sapotáceas (antes llamado Sapota zapotilla o Achras zapota) originario de México, América central y América del Sur  tropical. También es conocido como ácana o níspero.

Fue introducido en Filipinas durante la colonización española. A partir de entonces, se extendió por Asia y crece en grandes cantidades en India, Tailandia, Malasia, Camboya, Indonesia o Bangladés, lugares donde el fruto es muy popular y se conoce como chikoo. La palabra zapote es de origen náhuatl: tzapotl, nombre que se les daba a los frutos de forma esférica y semillas grandes. En maya es sicte, árbol sagrado del chicozapote.

​Por su sabor dulce y aromático, numerosos pueblos amerindios utilizaban dicha fruta para elaborar  goma para mascar, conocida como chicle (del náhuatl tzictli) que es un polímero gomoso que se obtiene de la savia del árbol.

Los compuestos extraídos de las hojas mostraron efectos antidiabéticos, antioxidantes e hipocolesterolémicos.

El extracto de acetona de las semillas tiene actividades antibacterianas, específicamente contra ciertas cepas de las especies Pseudomonas oleovorans y Vibrio cholerae

Tiene distintas utilidades, puede ser desde la fabricación de de instrumentos musicales y artesanías hasta adhesivo (que es el uso que le daremos) y remedio natural para muchas afecciones por sus grandes propiedades; éste es un  portador de vitaminas A y C, ayuda a tratar problemas respiratorios, ayuda a aliviar la gastritis, es rico en antioxidantes, entre otras cosas más.

Objetivo

Obtener un pegamento a base de chicozapote.

Justificación

A lo largo de la historia los humanos siempre hemos creado sustancias adhesivas como herramienta para nuestra vida diaria, acorde a nuestra evolución se han elaborado gran variedad de ellas con este fin, pero en la actualidad, estudios han comprobado que afectan de manera significativa nuestro entorno, ya que estos pueden ser un agente contaminante para el ambiente.

La mayoría de estos pueden ser dañinos para los más pequeños si se le da un uso inadecuado; es por eso que crear un pegamento a base de un material natural como el chicozapote es importante, ya que se puede obtener un polímero gomoso, a base de la savia de dicho fruto, que no contamina ni presenta un riesgo para la salud; como lo son varios pegamentos comerciales, ya que estos son de uso doméstico que contribuyen a la mitad de la contaminación ambiental.

Nuestro producto busca cumplir con las características para ser amigable con el medio ambiente, no tóxico y que no dañe nuestro organismo.

Cumpliendo con las características mencionadas anteriormente, se puede obtener una sustancia ideal para el uso doméstico, principalmente para la elaboración de manualidades, o actividades educativas.

Hipótesis

Si logramos elaborar  un pegamento a base de chicozapote, entonces obtendremos un producto no tóxico seguro para el uso de niños pequeños y amigable con el ambiente.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

1 Chicozapote (preferentemente grande)

4 ml de miel de abeja

6 gr de grenetina natural

5 ml de glicerina vegetal 

Batidora de inmersión

Un envase retráctil de 35-40 gr de capacidad

Un recipiente hondo

6.5 ml de agua potable

Una cuchara

Procedimiento:

  1. Cortar el chicozapote 
  2. Colocar el chicozapote ya pelado en un recipiente hondo
  3. Moler usando la batidora de inmersión
  4. Disolver la grenetina en 5 ml de agua
  5. Añadir la grenetina disuelta en el chicozapote moq al lido y mezclar
  6. Posteriormente, añadir 10 ml de miel de abeja  y 5 ml de glicerina natural a la mezcla
  7. Mezclar hasta obtener una sustancia uniforme
  8. Verter la mezcla en un envase retráctil de 35-40 gr de capacidad
  9. Refrigerar por aproximadamente 24 horas

Galería Método

Resultados

Se obtuvieron 36 gr de adhesivo, con una consistencia espesa y gelatinosa, se desliza fácilmente sobre el papel, aunque deja restos de éste, su textura es granulosa, con un color entre marrón y anaranjado y con un sutil aroma frutal al ingrediente principal, el chicozapote, ideal para pegar papel. 

Con un costo aproximado de $30 MXN por unidad.

Galería Resultados

Discusión

Durante gran parte de la historia de la humanidad se han utilizado materias primas que permiten facilitar la vida cotidiana, hablando específicamente de los adhesivos, altamente utilizados en el día a día, principalmente en los sectores educativas o laborales, que son altamente contaminantes y dañinos a la salud de sus usuarios, la producción de un adhesivo con recursos y materias amigables con el ambiente es un cambio necesario en la actualidad.

El producto obtenido busca ayudar a disminuir la contaminación causada por los adhesivos elaborados a base de petróleo o cualquiera de sus derivados, además de proteger la salud de usuarios menores en caso de ingesta.

Conclusiones

Al finalizar las pruebas de adhesión realizadas en papel convencional y de ingesta, ya que en caso de esta ocurra accidental no ocaciona reacciones adversas, se concluyó que este cumple con las caracteristicas pretendidas, cumpliendo así con las particularidades básicas de un pegamento común, hecho a base de materiales orgánicos, dando lugar a la posibilidad de su implementación para su uso escolar, como propósito el uso en niños pequeños.

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Summary

There is historical evidence that points to the use of glues since prehistory, however, it was until the eighteenth century where the potential of these began to be studied, the industry was developing glues based on highly polluting materials. Many commercial adhesives are made from various chemical components that are toxic (petroleum and acetate), both for the environment, since these compounds damage it significantly, as for human intake that occurs mostly in children. An investigation was carried out prior to the elaboration of the first prototype, we evaluated the various types of adhesives for commercial use, it was also determined what materials, procedures and tools would be used for the elaboration of this. It is sought that the product meets the necessary characteristics to preserve the environment and guarantee safe use in minors, without losing the properties of a common glue. Our base materials that are chicozapote and honey have antioxidant, antidiabetic, hypocholesterolemic and antibacterial properties this in order to guarantee the safety of the child if it were to be ingested. Being an unusual and innovative product, beech a combination of materials that, likewise, complemented each other to achieve the desired product, it was problematic due to the high standards of healthiness when making an organic and edible product. The price of the product varies depending on the size and quality of the materials, considering those aspects and the investment in our product, with a capacity of 36 gr is valued at $ 30 M.X.N.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography