propiedades de materiales obtenidos con residuos de

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I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Castellón, 23-24 de julio de 2008.
PROPIEDADES DE MATERIALES OBTENIDOS CON RESIDUOS DE
NATURALEZA ELASTOMÉRICA ADICIONADOS CON
NANOPARTÍCULAS DE ARCILLA
Crespo, J.E.*; Parres, F.; Nadal, A.; Rico, M.I.
Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales. Universidad Politécnica de Valencia.
Instituto de Tecnología de Materiales
Plaza Ferrandiz y Carbonell 1, 03801 Alcoy (España).
Resumen
El presente trabajo consiste en llevar a cabo un estudio sobre la influencia en el
comportamiento mecánico de nanopartículas (nanoarcillas basadas en montmorillonita) en el
interior de la matriz elastomérica reciclada y observar como es la distribución de la carga y la
morfología interna producida entre la interacción de las partículas de nanoarcilla y las
partículas de material reciclado elastomérico. Esta interacción producida entre las partículas
es la responsable de las características finales del material obtenido debido a su grado de
interacción o de adhesión y por lo tanto se pretende justificar las prestaciones mecánicas
obtenidas en función de la interacción o adhesión que se produce entre las partículas
mediante este proceso de termo-compresión. Los resultados obtenidos no son muy
esperanzadores en la mejora del comportamiento, pero si obtenemos un material con una
mayor dureza y rigidez, por lo tanto seria un buen camino estudiar además otros elementos
que acompañados a estas nanopartículas en la mejora el comportamiento mecánico.
Palabras clave: residuo, reciclado, nanoarcillas, propiedades mecánicas.
1. Introducción
Los cauchos son elastómeros que tienen un gran campo de aplicación en productos de alta
resistencia frente al envejecimiento (condiciones meteorológicas adversas, temperatura
elevada, exposición de agentes químicos,…). Pero por desgracia, una vez concluido su ciclo
de vida tienen unas posibilidades limitadas y normalmente no se les da un uso adecuado a
este tipo de residuos. Una de las líneas de investigación en las cuales se esta trabajando en
con este tipo de residuos es en el desarrollo de nuevos materiales compactos que
contengan unas buenas propiedades, tanto mecánicas como térmicas, y situarlos en nichos
de mercado no contemplados hoy en día por las empresas en la actualidad. Para este fin, se
deben de utilizar aditivos o agentes compatibilizadotes que nos proporciones las
propiedades buscadas. Una de los agentes utilizados son las nanoarcillas.
Las nanoarcillas son productos los cuales se están empleando en la aditivación
principalmente de polímeros termoplásticos y sobre todo en el sector textil para obtener
fibras con mejores propiedades térmicas y mecánicas. Normalmente esta aditivación de las
nanoarcillas en materiales termoplásticos se lleva a cabo mediante una extrusora de doble
husillo co-rotante, dado que la naturaleza química que poseen los dos compuestos es
totalmente distinta. También son empleados en la aditivación de materiales termoestables
para la obtención de nanocompuestos, donde son muy empleados en la aditivación de
resinas epoxy.
*
Correspondencia: [email protected]
2. Experimental
Inicialmente se realiza un estudio granulométrico de los residuos mediante una tamizadota
CISA® SIEVE SHAKER modelo RP09 (Barcelona, España). A continuación los residuos
elastoméricos son mezclados con diferentes cantidades de nanoarcillas mediante una
mezcladora planetaria K.A.P.L modelo 5KPMS (St. Joseph, Michigan, USA).
Obtenida la mezcla homogénea de residuo y nanoarcilla se vierte el contenido en un molde
de aluminio y por medio de una prensa de platos calientes Robima S.A (Valencia, España)
se obtienen placas de 120 x 150 mm. Las condiciones de prensado aplicadas en este
estudio son 200ºC durante 10 minutos. Una vez obtenidas las placas, a continuación se
troquelan las probetas mediante una prensa hidráulica MECA 12T (Melchor Gabilondo S. A,
Berriz, España) siguiendo la normativa UNE EN-ISO 527-2.
Los ensayos mecánicos son llevados a cabo mediante una maquina de ensayos universal
ELIB 30 (S.A.E. Ibertest, Madrid, España) siguiendo la normativa ISO 527. La velocidad
utilizada en el ensayo para determinar al alargamiento y la tensión máxima a la rotura es de
50 mm/min. Bajo una célula de carga de 5 kN.
La escala utilizada para la obtención de la dureza ha sido la Shore D. Esta medida ha sido
obtenida mediante un durómetro Baxlo (Baxlo, Barcelona, España) de acuerdo con la norma
ISO 868. El mínimo de probetas ensayadas son cinco para poder obtener un resultado
óptimo.
3. Materiales
En esta investigación se ha utilizado un residuo elastomérico procedente del triturado de
juntas defectuosas facilitado por la empresa Cauchos Verdu S.L (Alcoy, España) con una
densidad aparente de 0,33 gr/cm3 y con un factor de compactación de 1,53.
Las nanoarcillas empleadas en este estudio son basadas en montmorillonita. En este caso
se han utilizado las nanoarcillas Closite10A y la Closite20A de Southern Clay Products, Inc.
(Gonzales, Texas). Los porcentajes utilizados en este caso de estudio son del 1 y 2 % en
peso de residuo elastomérico empleado.
4. Resultados y Discusión
La investigación sobre la adición de las nanoarcillas en una matriz elastomérica reciclada es
llevada a cabo con la finalidad de mejorar el comportamiento de este tipo de materiales
reciclados. En un principio y bajo el proceso de termo-compresión, se planteo una hipótesis
de partida la cual consistía en mejorar la adhesión de la matriz compuesta de residuo
elastomérico reciclado. Esta mejora de propiedades se produciría con la incorporación al
proceso de termo-compresión de la nanoarcillas en cantidades relativamente pequeñas. El
comportamiento esperado con este tipo de nanoarcillas seria un aumento de las
propiedades mecánicas, dado que la hipótesis de partida propuesta contemplaba que las
nanoarcillas actuarían como elemento intermedio facilitando la unión entre las partículas y la
matriz elastomérica reciclada mediante el proceso de termo-compresión por el efecto de la
temperatura y de la presión aplicada en el proceso, y por lo tanto estas partículas
contribuyesen a una mejora de la adhesión en la matriz.
Como medida de control y análisis del producto suministrado se realizo un estudio
granulométrico del residuo elastomérico. Este estudio se puede observar en la Figura 1,
donde se aprecia que las partículas que contiene el residuo poseen una tendencia
granulométrica o una granulometría mayoritaria en el proceso de triturado como es la
partícula de 500 µm, donde alcanza hasta un 50% del porcentaje de la muestra ensayada.
100
Residuo elastomérico
Porcentaje masa retenido por tamiz.
Porcentaje masa acumulado.
80
% Masa
60
40
20
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Luz de malla (mm)
Figura 1. Análisis granulométrico de los residuos elastoméricos empleados en este estudio.
Una vez obtenidos los resultados de las pertinentes mezclas del residuo elastomérico y las
nanoarcillas, se comprueba como inicialmente la hipótesis de partida planteada se
desmorona en la mejora de las propiedades mecánicas, Figura 2. En este caso se observa
como de las nanoarcillas utilizadas en este caso de estudio, solo la Closite20A al 1% nos
mejora sensiblemente la tensión de rotura. Se puede observar como para los porcentajes
del 2% de nanoarcillas, la tendencia se ve aumentada al disminuir la tensión de rotura
produciéndose una mayor caída de tensión de rotura para la nanoarcilla Cloisite20A.
1,4
Tensión de rotura, R (MPa)
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Residuo
1% 20A
2% 20A
1% 10A
2% 10A
Residuo elastomérico y nanoarcillas Closite
Figura 2. Correlación grafica entre la tensión de rotura y el porcentaje empleado de nanoarcilla
Closite.
En la Figura 3, también se puede observar como inicialmente con solo la termo-compresión
de las partículas del residuo elastomérico, se obtienen unos valores mayores de
alargamiento a la rotura que con cualquiera de las nanoarcillas empleadas. En este caso, las
diferencias de alargamiento a la rotura para los porcentajes utilizados del 1% en las dos
nanoarcillas utilizadas son menores. Nuevamente se puede apreciar en la Figura 3, como
para porcentajes del 2% de nanoarcilla, la disminución del alargamiento a la rotura se ve
más acentuada, produciéndose una disminución en mayor medida nuevamente como
ocurría para la tensión de rotura para la nanoarcilla Closite20A, tendencia observada en
diversos trabajos de investigación consultados, tanto para termoplásticos como para
materiales termoestables.
300
Alargamiento a la rotura, A (%)
250
200
150
100
50
0
Residuo
1% 20A
2% 20A
1% 10A
2% 10A
Figura 3. Correlación grafica entre el alargamiento a la rotura y el porcentaje empleado de nanoarcilla
Closite.
35
30
Shore A
25
20
15
10
5
0
Residuo
1% 20A
2% 20A
1% 10A
2% 10A
Figura 4. Correlación grafica entre la dureza Shore A y el porcentaje empleado de nanoarcilla Closite.
En cambio al observar la Figura 4, la tendencia cambia cuando analizamos la dureza
obtenida en el material elaborado con nanoarcillas. En este caso, el comportamiento con
respecto al residuo elastomérico de partida sin nanoarcillas se ve aumentado. Este aumento
se muestra de forma independiente de la nanoarcilla empleada en la mezcla. Este
comportamiento es más notable para porcentajes de nanoarcillas al 2%, observándose el
mayor aumento de la dureza en la nanoarcilla Cloisite20A, tendencia general al aumento de
la rigidez principalmente con la utilización de este tipo de materiales.
5. Conclusiones
Inicialmente, según el planteamiento de la investigación o hipótesis de partida, en la
búsqueda de la mejora en las propiedades mecánicas en materiales reciclados de origen
elastomérico, mediante la adición de nanoarcillas de distinta naturaleza, utilizadas con el fin
de actuar como elemento de unión y así poder mejorar la adhesión entre las partículas del
residuo elastomérico mediante la termo-compresión, no se ha cumplido. Estas nanoarcillas
no han proporcionado los resultados esperados, no cumplen con el cometido buscado en el
objetivo inicial de la investigación inicial. Seria interesante, dado que las nanoarcillas si
aumentan la rigidez y la dureza del material elaborado, buscar un elemento compatibilizador
que adicionado al material obtenido nos sirva nuevamente como medio de unión entre las
nanoarcillas y la matriz de elastómero reciclado con el fin de mejorar las propiedades
mecánicas, dado que no hay que olvidar que es un residuo.
6. Referencias
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Agradecimientos
El autor agradece a la Universidad Politécnica de Valencia, por la financiación concedida a
esta investigación mediante el proyecto Ref: SPM 20080012, perteneciente a la
convocatoria PAID 06-07 de Primeros Proyectos de Investigación (UPV).
Agradecer a la empresa Southern Clay Products, Inc. (Gonzales, Texas) por las nanoarcillas
facilitadas en esta investigación de una manera desinteresada, en especial a Doug Hunter.

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