Jonatan Covarrubias-Ramírez,
Rosa Idalia Narro Céspedes,
María Elena Ramos Aguiñaga,
Karina Reyes Acosta,
Lorena Farías Cepeda
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CienciaCierta #39, Julio – Septiembre 2014
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¿Por qué reciclar y modificar superficialmente las partículas de polvo de llanta? El fin de la vida útil de los neumáticos es un importante desafío en el reciclaje para la industria del plástico en general.
Introducción
La rápida acumulación de llantas de desecho en las últimas dos décadas ha ocasionado un gran desequilibrio ecológico mundial, pero también un aumento en la conciencia del peligro potencial y la promoción continua del reciclaje de este residuo que ha llevado a los gobiernos, y éstos a su vez a las industrias, a la necesidad de adoptar, aplicar y desarrollar nuevas tecnologías que minimicen el daño que ocasiona este residuo. El problema principal es que las llantas están formadas por elastómeros vulcanizados que son materiales difíciles de reciclar. Su entrecruzazamiento está formado por enlaces covalentes creados durante el proceso de vulcanización. Debido a este entrecruzamiento normalmente no pueden ser fundidos; ya que los enlaces mantienen unidas las cadenas del polímero impidiendo que el material fluya y generando una gran dificultad para trabajar con ellos, por lo que los intentos de reciclar de manera similar a los plásticos, a menudo produce resultados no deseados. Por otra parte, la necesidad de cargas en compuestos poliméricos es un área que tiene potencial aplicación para la utilización de los grandes volúmenes de neumáticos desechados. El polvo de llanta puede ser una buena opción para esta aplicación, aunque en la práctica la falta de adherencia del polvo de llanta con el resto de los polímeros lo hace casi imposible debido a su superficie altamente inerte [1-4].
La adhesión de dos materiales es la suma de una serie de fuerzas mecánicas, físicas y químicas que se entrelazan unas con otras. Como no es posible separar estas fuerzas, en general se pueden establecer dos tipos de unión: el anclaje mecánico y la unión debida a las fuerzas electrostáticas. El primero se lleva a cabo cuando el polímero penetra en los poros, agujeros y grietas y otras irregularidades de la superficie adherida de un sustrato y lo bloquea mecánicamente. La matriz polimérica no sólo debe mojar el sustrato, sino que también debe tener las propiedades de fluidez adecuadas para penetrar en los poros y aberturas en un tiempo razonable. Los compuestos fabricados de polvo de llanta con otros polímeros tendrían una buena adherencia si en el polvo de llanta existieran poros, agujeros, grietas u otras irregularidades, pero por desgracia esto no es así.
Resumiendo, se puede afirmar que el polvo de llanta es un material difícil de compatibilizar con matrices termoplásticas debido a las pobres adhesiones mecánicas y químicas. Es por esto que se re-quiere la utilización de algún tipo de metodología que modifique la superficie del polvo de llanta y que provoque que ésta se adhiera a la superficie de la matriz polimérica. Es deseable que esta metodología sea capaz no sólo de lograr una buena compatibilización entre la matriz y el polvo de llanta, sino que debe inducir una dispersión adecuada entre cada partícula de polvo y la matriz polimérica con el fin de no presentar aglomerados, los cuales pueden causar puntos de fallas en el material. El tratamiento superficial es una buena opción para mejorar la adhesión y la compatibilidad entre la interfase del polvo de llanta y la matriz termoplástica.
Debido a lo anterior, esta investigación está diri-gida a explorar las mejores alternativas de modifi-cación superficial existentes, que puedan ser aplicadas al polvo de llanta para su reutilización al mezclarlo con otros polímeros para la obtención de materiales con buenas propiedades y que sea posible reciclar sin gran detrimento en sus propiedades.
Elastómeros termoplásticos poliolefínicos
Los elastómeros termoplásticos son materiales que presentan propiedades físicas y mecánicas intermedias entre los elastómeros convencionales y los termo-plásticos, los cuales han tenido un gran auge en el mercado por su versatilidad, flexibilidad y adaptabilidad. Estos materiales están compuestos por una fase dura (continua) que proporciona la estabilidad mecánica, en esta fase se utilizan polímeros como el polietileno y el polipropileno; y una fase suave (discontinua) encargada de proporcionar la flexibilidad como el piliisopreno natural o sintético y el etileno propileno dieno (EPDM). La figura 1 muestra una representación de ambas fases [6].
A estos materiales se les pueden añadir diversos tipos de carga y es por tanto factible en ellos la incorporación de partículas de polvo de llanta. Entre sus ventajas principales están que presentan propie-dades semejantes a los hules aunque son procesados como termoplásticos y pueden ser reciclados sin gran detrimento de sus propiedades. Además de que su fabricación promueve la química verde ya que utiliza siete de los doce postulados de ésta.
Metodología
En la actualidad existen diversas técnicas de modificación superficial que emplean con el fin de incrementar la compatibilidad con los polímeros. Se pueden clasificar [7] en: a) modificación superficial química, b) modificación superficial biológica y c) modificación superficial por medios físicos. En los tres tipos de técnicas se busca reducir u oxidar los grupos funcionales que se encuentran principalmente en la superficie de los polímeros, sin embargo la primera que se realiza por medio de ácidos y bases presenta el inconveniente de dejar residuos en la superficie; la segunda utiliza microorganismos y exhibe la problemática del gran cuidado en el manejo y conservación de los microorganismos empleados; mientras que en la modificación superficial por medios físicos dichos fenómenos se inducen por medio de diferentes tipos de radiación, los cuales provocan ruptura de enlaces. Es por esto que esta última está adquiriendo gran importancia, entre las cuales destacan la radiación UV, descarga corona, plasma de radiofrecuencia y rayos gamma.
a) Modificación por radiación ultravioleta (UV): se denomina radiación ultravioleta a la radiación electromagnética cuya longitud de onda está com-prendida aproximadamente entre los 400 nm y los 15 nm. Esta radiación es la responsable de la fotodegradación, un proceso que generalmente resulta en la incisión de las cadenas moleculares de los polímeros. Ocurre como consecuencia de la absorción de la energía radiante luminosa por las estructuras químicas que forman los polímeros, un único fotón ultra-violeta tiene energía suficiente para romper un enlace simple C-C en muchos polímeros de cadena lineal; los enlaces rotos sirven como reacción para las reacciones de oxidación. La ruptura de los enlaces covalentes se debe a la adsorción de la radiación UV [8].
Existen pocos estudios referentes a la modi-ficación con radiación ultravioleta; entre las investigaciones realizadas se encuentran las de Shanmugharaj y colaboradores [8] donde utilizaron radiación ultravioleta para funcionalizar la alilamina sobre la superficie del polvo de llanta en presencia de benzofenona para hacer mezclas con polipropileno (PP) y polipropileno con injerto de anhídrido maleíco (PP-g-MA). Las propiedades mecánicas de los compo-sitos que contenían partículas funcionalizadas fueron mejoradas debido al incremento en la compatibilidad entre el polvo de llanta y el polipropileno a través de la reacción química llevada a cabo en la interfase. Ellos también modificaron polvo de llanta con acrilamina usando radiación UV en presencia de benzopreno para mezclarlos con polietileno de alta densidad (HDPE) y propileno metacrilato (PP-g-MA) [9]. Las propiedades mecánicas de los compositos de polietileno de alta densidad/propileno y metacrilato (HD-PE/PP-g-MA) fueron muy superiores a las de los compositos de HDPE/PP-g-MA debido a la reacción interfacial entre el polvo de llanta y la alilamina (RP-g-AAm) y el propileno con metacrilato (PP-g-MA). Este tipo de modificación por radiación UV con los cuida-dos requeridos no representa riesgo a la salud y los resultados que muestra son alentadores para conti-nuar con esta línea de investigación.
b) Modificación por descarga corona: una des-carga corona es un plasma creado en aire a presión atmosférica. Este es un proceso económico pero no homogéneo utilizado para que las superficies se vuel-van más compatibles con determinadas matrices o recubrimientos.
Un estudio encontrado de descarga corona es el realizado por Pramanik y colaboradores [10] quienes modificaron el polvo de llanta mediante el trata-miento de descarga corona mezclándolos en una matriz de polietileno de baja densidad (LDPE). Se utilizó etilenglicil metacrilato como compatibilizador en las mezclas. El análisis XPS mostró que el trata-miento de descarga corona aumenta el contenido de oxígeno sobre la superficie del polvo de llanta. En algunos compuestos se encontró que las partículas tratadas mejoran marginalmente la resistencia al impacto de los materiales compuestos. Sin embargo, los tiempos prolongados de tratamiento y mayores aportes de energía reducen la resistencia al impacto de los materiales compuestos. La mejora en la resistencia del impacto en el primer caso, se cree, existe debido a una mejor interacción entre los grupos epoxy del compatibilizante y el oxígeno de la superficie modi-ficada del polvo de llanta. Mientras que en otros casos la disminución de la propiedad de impacto puede ser el resultado del endurecimiento de la superficie del polvo de llanta o diferentes niveles de envejecimiento y la composición del polvo de llanta antes de la molienda. Por los resultados obtenidos se observa que este tipo de modificación no es muy recomendable pues no se puede controlar con precisión la inten-sidad de dicha modificación, lo cual puede causar envejecimiento y pérdida de propiedades.
c) Plasma de radiofrecuencia: es un gas parcial-mente ionizado, compuesto por átomos, moléculas y diferentes especies tales como iones, electrones, pro-tones, especies metaestables, fotones, etc., que se pro-duce a presión baja y a temperatura ambiente [11]. Se utiliza para modificar superficies y es considerada una metodología verde.
Un estudio sobresaliente de modificaciones superficiales por plasma, es el realizado por Xu y colaboradores [12]. Ellos modificaron la superficie del polvo de llanta mediante tratamiento con plasma de radiofrecuencia con O2 las cuales posteriormente se mezclaron con una matriz epóxica. La resistencia a la tensión de los composites con partículas tratadas se incrementó en comparación con las mezclas sin partículas tratadas. La resistencia al impacto aumentó para los composites con partículas tratadas y no trata-das en comparación con la resina pura. Los grupos C-OH, COOH adheridos a la superficie del polvo de llanta crean una interfase con la matriz epóxica lo suficientemente fuerte para deformarse cuando el compuesto es sometido a tensión [12]. Los resultados expuestos manifiestan el conveniente interés de realizar subsecuentes investigaciones al respecto.
d) Radiación gamma: es un tipo de radiación electromagnética de alta energía por lo que constituye un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa y la beta. Sin embargo puedecausar grave daño al núcleo de las células.
Con respecto a este tipo de modificación, Sonnier y colaboradores [13], con el propósito de me-jorar la adhesión interfacial entre las partículas de pol-vo de llanta y una matriz de polietileno de alta densi-dad (HDPE), trataron estas partículas mediante dos tratamientos de oxidación, uno con permanganato de potasio en solución y el otro a través de radiación gamma bajo una atmósfera de aire. Posteriormente los polvos fueron mezclados con HDPE el cual conte-nía una pequeña cantidad de polietileno injertado de anhídrido maléico (MAgPE). Dado que ninguno de los métodos fue realmente eficaz, se concluyó que la oxidación no puede compensar la falta de reactividad química de los polvos de llanta y por lo tanto no se mejoran las propiedades mecánicas de las mezclas [13]. Después Sonnier y colaboradores [14], utilizaron la radiación gamma para compatibilizar in-situ mezclas de polietileno reciclado de alta densidad (HDPE) y polvo de llanta.
Las propiedades mecánicas de las mezclas no compatibilizadas son pobres, especialmente la elongación a la ruptura y la resistencia al impacto, mientras que la irradiación conduce a un aumento significativo de estas prestaciones mecánicas. El mecanismo de reacción que posiblemente ocurre está asociado con la formación de radicales libres que conducen al rompimiento de las cadenas del polvo de llanta para entrecruzarse con la matriz de PE, y mejorar la adhesión en la interfase entre el polvo y HDPE [14]. En este tipo de modificación se observan resultados alentadores, sin embargo el tipo de radiación utilizada, que puede causar graves daños a la salud, no la hace muy recomendable para investigación.
Conclusiones
Evaluando los resultados obtenidos por las anteriores técnicas de modificación, las que arrojaron resultados más prometedores y que además son tecnologías ambientalmente benignas son dos: la modificación por plasma y la modificación por radiación ultra-violeta, por lo que se considera conveniente realizar un estudio experimental comparativo para evaluar cuál de las dos resultaría más efectiva en la obtención de elastómeros termoplásticos con polvo de llanta modificado. Se concluye por las referencias anterior-mente expuestas el gran esfuerzo por mejorar la cali-dad del caucho reciclado, lo que refleja por un lado el alto interés en el reciclaje de caucho, y por otro lado las dificultades del proceso de reciclaje de este material.
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Referencias bibliográficas
1. Jacobson RE, Engineer MS, Caufield DF, Rowell RM,Sanadi AR. (1995), Environment, Agriculture, and Industry, Portland, OR, Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory pp. 11711180.
2. Sanadi AR, Caufield DF, Rowell RM. (1994). Plastics Engineering. 4, pp. 27-28.
3. Denes F, Young RA, Sarmadi M. J. (1997). Photopolym Sci Technol 10, pp: 91-112.
4. Denes, S. Manolache S. F.S. (2004). Prog. Polym. Sci. vol. 29 pp 815-885.
5. http://www.cylex.com.mx/monterrey/recicladodellantas.net-11505836.html.
6. Mathenium, R. (2003). well defined thermoplastic elastomers. Reversible networks based on hydrogren bonding, 8-15.
7. Colom X., Cañavate J., Carrillo F., Velasco J. L. (2006). European Polymer Journal. 42, 2369-2378.
8. Shanmugharaj, A. M., Kim, J. K. and Ryu, S. H. (2005). Polymer Testing, 24, pp. 739-745.
9. Shanmugharaj A. M., K. J. (2007). Journal of Applied Polymer Science. 104, 2237-2243.
10. Pramanik, P. K. and Baker, W. E. (1995). Plastics, Rubber and Composites Processing and Applications, vol. 24, pp 229-237.
11. Chen, FF, “Introduction to plasma physics” plenum press, New York (1975).
12. Z Xu N. S., L. (1998). Journal of Advanced Materials. 30, 11-18.
13. Sonnier R., L. E.-C. (2007). Polymer Testing. 26, 274-281.
14. Sonnier R., L. E.-C. (2006). Polymer Degradation and Stability. 91, 2375-2379.
