Síntesis de un material compuesto a partir de caucho reciclado y poliuretano

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. “SÍNTESIS DE UN MATERIAL COMPUESTO A PARTIR DE CAUCHO RECICLADO Y POLIURETANO”. TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. CHIGUANO NIQUINGA ALEX OMAR [email protected]. DIRECTOR: ING. ALMEIDA NARANJO CRISTINA ELIZABETH, M.Sc. [email protected]. CO-DIRECTOR: ING. SOTOMAYOR GRIJALVA MARÍA VERÓNICA, M.Sc. [email protected]. QUITO, MAYO 2018.

(2) CERTIFICACIÓN. Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por el Sr. CHIGUANO NIQUINGA ALEX OMAR bajo nuestra supervisión.. ____________________________ Ing. Cristina Almeida N., M.Sc. DIRECTOR DEL PROYECTO. ____________________________ Ing. Verónica Sotomayor G., M.Sc. CO-DIRECTOR DEL PROYECTO. i.

(3) DECLARACIÓN. Yo, Chiguano Niquinga Alex Omar, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ____________________________ Alex Omar Chiguano Niquinga. ii.

(4) DEDICATORIA A mis padres, hermano y abuelitos. Por haber sido parte de este logro profesional, por guiarme con sus valores y consejos para ser una mejor persona y por enseñarme a luchar por mis metas venciendo todos los obstáculos que se presenten.. iii.

(5) AGRADECIMIENTO En primero lugar agradezco a Dios, por haberme regalado la vida. A mis padres Néstor y Zoila, quienes con su sacrificio y esfuerzo han logrado darme la oportunidad de estudiar, gracias por enseñarme los valores necesarios para desde pequeño ser un buen ser humano, gracias por sus consejos para poder afrontar cualquier adversidad y seguir por un buen camino y sobre todo gracias por estar a mi lado apoyándome y dándome cariño cuando más lo necesité. Gracias por ser mi ejemplo. Les Quiero Mucho papitos. A mi hermano Andy, a mis abuelitos; Mami Ina y Papá Segundo, gracias por todo su amor y su apoyo incondicional en toda mi vida. Agradezco a Dios y a la vida por tenerles a mi lado. Ñañito y viejitos les quiero mucho. A la Ing. Cristina Almeida, quién fue parte fundamental en la realización de esta investigación. Cris gracias por tus consejos, tus regaños y más que todo gracias por ser una buena amiga, por apoyarme en los momentos más difíciles y compartir momentos agradables. A los ingenieros Verónica Sotomayor y Orlando Campaña, que de igual manera me ayudaron en la realización de este proyecto. A mis amigos de toda la vida; Jeffo, Michael, Nacho, Danny, Kevin, Galancito (†), con quienes he compartido momentos inolvidables y sobre todo mucho jogo, puf gracias por estar en las buenas y en las malas conmigo, más que mis amigos son mis hermanos. Siiiiuuuuu…!!!.. A Katy, Eri y Gaby, gracias por ser parte de mi vida. En especial a Katy, gracias por apoyarme en los buenos y malos momentos. Al 206, con quienes he compartido mi vida universitaria, experiencias inolvidables, alegrías y tristezas. En especial a ti Jazzita y Titi, gracias por su ayuda en la realización de este proyecto. Son grandes amigos. A mi querida y prestigiosa Facultad de Ingeniería Mecánica, por regalarme momentos inolvidables en sus aulas, a sus profesores y todos los que la conforman, ya que gracias a ellos es la mejor Faculdad Do Mundo. A llegado el momento de decir adiós y no me queda más que decir TRES RASES, UN CHISPUN Y UN CARAJO POR MECÁNICA!!!!. iv.

(6) ÍNDICE DE CONTENIDO. CERTIFICACIÓN ............................................................................................................... I DECLARACIÓN ................................................................................................................ II DEDICATORIA .................................................................................................................III AGRADECIMIENTO ........................................................................................................ IV ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... VIII ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... IX RESUMEN ....................................................................................................................... XI ABSTRACT .................................................................................................................... XII INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................... 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 2 1. MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 3 1.1.. Características y usos del caucho ................................................................... 3. 1.1.1.. Caucho Natural................................................................................................... 3. 1.1.2.. Caucho sintético ................................................................................................. 3. 1.1.3.. Usos del caucho ................................................................................................. 5. 1.2. 1.2.1.. Reciclaje del caucho ....................................................................................... 6 Métodos de recuperación de neumáticos ........................................................... 7. 1.2.1.1.. Métodos mediante aplicación de calor ............................................................ 7. 1.2.1.2.. Métodos físicos ............................................................................................... 8. 1.3.. Usos del caucho reciclado .............................................................................. 9. 1.4.. Mezclas de Caucho y Polímeros ....................................................................11. 1.4.1.. Caucho y Poliuretano ........................................................................................11. 2. METODOLOGÍA .........................................................................................................13 2.1.. Diseño Experimental ......................................................................................13. 2.2.. Materiales Utilizados ......................................................................................14. 2.3.. Metodología Experimental ..............................................................................14. 2.3.1.. Caracterización del Caucho Reciclado ..............................................................14. 2.3.1.1.. Distribución del tamaño de partícula ..............................................................14. 2.3.1.2.. Contenido de fibra textil..................................................................................15 v.

(7) 2.3.1.3.. Contenido de material ferroso ........................................................................15. 2.3.1.4.. Humedad .......................................................................................................16. 2.3.2.. Preparación del material compuesto ..................................................................16. 2.3.2.1.. Denominación del material compuesto ...........................................................16. 2.3.2.2.. Preparación del material compuesto ..............................................................17. 2.3.2.3.. Extrusión ........................................................................................................17. 2.3.2.4.. Inyección ........................................................................................................18. 2.3.2.5.. Troquelado .....................................................................................................18. 2.3.3.. Ensayos mecánicos ...........................................................................................19. 2.3.3.1.. Tracción .........................................................................................................19. 2.3.3.2.. Desgarre ........................................................................................................19. 2.3.3.3.. Abrasión .........................................................................................................20. 2.3.3.4.. Dureza ...........................................................................................................21. 2.3.4.. Otros ensayos realizados ..................................................................................21. 2.3.4.1.. Permeabilidad en agua ..................................................................................21. 2.3.4.2.. Solubilidad en hidrocarburos ..........................................................................21. 2.3.4.3.. Análisis termogravimétrico (TGA) ...................................................................21. 2.3.5.. Análisis estadístico ............................................................................................22. 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ..............................................................23 3.1.. Resultados de la caracterización del caucho reciclado...................................23. 3.1.1.. Distribución del tamaño de partícula ..................................................................23. 3.1.2.. Contenido de fibra textil .....................................................................................23. 3.1.3.. Contenido de material ferroso ............................................................................24. 3.1.4.. Contenido de humedad .....................................................................................24. 3.2. 3.2.1.. Ensayos para Caracterización Mecánica........................................................24 Ensayos de tracción ..........................................................................................24. 3.2.1.1.. Influencia del tamaño de partícula ..................................................................25. 3.2.1.2.. Influencia de la composición ..........................................................................29. 3.2.2.. Ensayos de desgarre .........................................................................................31. 3.2.2.1.. Influencia del tamaño de partícula ..................................................................31. 3.2.2.2.. Influencia de la composición ..........................................................................33. 3.2.3.. Ensayos de abrasión .........................................................................................35. 3.2.3.1.. Influencia del tamaño de partícula ..................................................................35. 3.2.3.2.. Influencia de la composición ..........................................................................37. 3.2.4. 3.2.4.1.. Ensayos de dureza ............................................................................................38 Influencia del tamaño de partícula ..................................................................38 vi.

(8) 3.2.4.2.. Influencia de la composición ..........................................................................40. 3.2.5.. Permeabilidad al agua .......................................................................................41. 3.2.6.. Solubilidad en hidrocarburos .............................................................................42. 3.2.7.. Ensayo termogravimétrico (TGA).......................................................................42. 3.2.8.. Microscopia electrónica de barrido (SEM) .........................................................43. 3.2.9.. Posibles aplicaciones del material compuesto obtenido ....................................45. 3.2.9.1.. Suelas de zapato ...........................................................................................46. 3.2.9.2.. Pisos para diferentes usos .............................................................................46. 3.2.9.3.. Uso en tejas ...................................................................................................47. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...............................................................48 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................50 ANEXOS..........................................................................................................................53 ANEXO I ..........................................................................................................................53 ANEXO II .........................................................................................................................55 ANEXO III ........................................................................................................................60 ANEXO IV........................................................................................................................80. vii.

(9) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Comparación entre el caucho natural y sintético .............................................. 4 Tabla 1.2. Composición de Neumáticos ............................................................................ 5 Tabla 1.3. Ventajas y desventajas de los métodos de recuperación de neumáticos ......... 9 Tabla 2.1. Parámetros del diseño experimental. ..............................................................13 Tabla 2.2. Nomenclatura para cada tipo de material compuesto. .....................................16 Tabla 2.3. Identificación de cada tipo de material compuesto. .........................................17 Tabla 2.4. Identificación del material compuesto..............................................................20 Tabla 2.5. Parámetros para análisis de TGA ...................................................................22 Tabla 3.1. Resultados de distribución del tamaño de partícula del caucho reciclado. ......23 Tabla 3.2. Contenido de fibra textil presente en 100 g de caucho reciclado. ....................24 Tabla 3.3. Contenido de material ferroso en 100 g de caucho reciclado. .........................24 Tabla 3.4. Porcentaje de humedad contenido en 100 g de caucho reciclado. ..................24 Tabla 3.5. Micrografías SEM del material compuesto ......................................................44 Tabla 3.6. Propiedades óptimas para suelas de zapato comparadas con los materiales formulados .......................................................................................................................46 Tabla 3.7. Propiedades de pisos de caucho comparadas con el material formulado .......46 Tabla 3.8. Comparación entre una teja de cerámica y caucho .........................................47. viii.

(10) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Micrografía del caucho sintético de un neumático ........................................... 6 Figura 1.2. Composición del neumático ............................................................................ 7 Figura 2.1. Motas de fibra textil agrupadas en los tamices ...............................................15 Figura 2.2. Separación de material ferroso contenido en la muestra de caucho reciclado ........................................................................................................................................16 Figura 2.3. Moldes normalizados para Troquelado ..........................................................18 Figura 2.4. Dimensiones de las probetas para ensayo de tracción bajo la norma ASTM D412-16 ...........................................................................................................................19 Figura 2.5. Dimensiones de las probetas para ensayo de desgarre bajo la norma ASTM D1004-13 .........................................................................................................................19 Figura 2.6. Probetas preparadas para el ensayo de abrasión bajo la norma INEN 1924 .20 Figura 3.1. Propiedades de tracción obtenidas del TPU y materiales compuestos: a) Módulo de elasticidad b) Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia c) Porcentaje de elongación en el punto de fluencia ...................................................................................25 Figura 3.2. Deformación de las probetas después del ensayo de tracción para las muestras TPU80–CR20 ...................................................................................................26 Figura 3.3. Zona de fractura en las probetas ensayadas .................................................26 Figura 3.4. Medias de los resultados de la resistencia a la tracción para la composición TPU80-CR20 variando el tamaño de partícula .................................................................27 Figura 3.5. Medias de los resultados del porcentaje de elongación para la composición TPU80-CR20 variando el tamaño de partícula .................................................................27 Figura 3.6. Medias de los resultados del módulo de elasticidad para la composición TPU80-CR20 variando el tamaño de partícula .................................................................28 Figura 3.7. Propiedades de tracción obtenidas del poliuretano y materiales compuestos: a) Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia b) Porcentaje de elongación en el punto de fluencia c) Módulo de elasticidad ................................................................................29 Figura 3.8. Medias de la resistencia a la tracción para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR ....................................................................................................30 Figura 3.9. Medias del porcentaje de elongación para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR ....................................................................................................30 Figura 3.10. Medias del módulo de elasticidad para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR ....................................................................................................31 Figura 3.11. Resultados obtenidos del ensayo de desgarre a) Extensión Máxima b) Carga máxima de desgarre ........................................................................................................32 ix.

(11) Figura 3.12. Medias de los resultados de extensión máxima obtenidas del ensayo de desgarre ..........................................................................................................................32 Figura 3.13. Medias de los resultados de carga máxima obtenidos del ensayo de desgarre ..........................................................................................................................33 Figura 3.14. Resultados del ensayo de desgarre para un mismo tamaño de PCR a) Extensión máxima b) Carga de desgarre máxima ............................................................34 Figura 3.15. Medias de los resultados de extensión máxima para un mismo PCR y diferente composición ......................................................................................................34 Figura 3.16. Medias de los resultados de cargar máxima para un mismo tamaño de PCR y diferente composición ...................................................................................................35 Figura 3.17. Resultados del ensayo de abrasión para mismas composiciones con variación de PCR .............................................................................................................36 Figura 3.18. Medias de los resultados del ensayo de abrasión para una misma composición con variación de PCR..................................................................................36 Figura 3.19. Resultados del ensayo de abrasión para un mismo tamaño de PCR con variación de composición .................................................................................................37 Figura 3.20. Medias de los resultados del ensayo de abrasión para un mismo tamaño de PCR con variación de composición..................................................................................38 Figura 3.21. Resultados del ensayo de dureza para las diferentes composiciones con variación de PCR .............................................................................................................39 Figura 3.22. Medias de los resultados del ensayo de dureza para una misma composición con variación de tamaño de PCR.....................................................................................39 Figura 3.23. Resultados del ensayo de dureza para un mismo tamaño de PCR variando la composición.....................................................................................................................40 Figura 3.24. Medias de los resultados del ensayo de dureza para un mismo tamaño de PCR variando la composición ..........................................................................................41 Figura 3.25. Resultados del ensayo de permeabilidad al agua del material compuesto ...41 Figura 3.26. Resultados del ensayo de solubilidad en hidrocarburos del material compuesto .......................................................................................................................42 Figura 3.27. Curvas de TGA resultantes ..........................................................................43. x.

(12) RESUMEN El objetivo del presente proyecto de titulación fue analizar la influencia en las propiedades mecánicas y térmicas al incorporar como refuerzo partículas de caucho reciclado (PCR) en una matriz de poliuretano termoplástico (TPU). Se analizó la influencia de dos variables; el tamaño de partícula del caucho reciclado (840, 500, 177 μm) y la concentración del mismo (10, 20, 25 wt%). El material compuesto se obtuvo mediante un proceso de extrusión e inyección. Las probetas para los ensayos de tracción, desgarre, dureza y abrasión se obtuvieron por troquelado según lo establecido en las normas ASTM D412-16, D1004-13, D2240 e INEN 1924, respectivamente. El análisis de permeabilidad al agua se realizó con la metodología propuesta por (Santamaría, 2013) y resistencia a hidrocarburos mediante la norma ASTM D471. Además, se realizó una caracterización térmica del material mediante un análisis termogravimétrico (TGA) y para observar la adherencia matriz-refuerzo se realizaron microscopías electrónicas de barrido (SEM). Para analizar los resultados obtenidos y determinar la influencia de las variables en las propiedades mecánicas se realizó un análisis estadístico utilizando el método Shapiro Willks para determinar la normalidad de los datos, posteriormente se realizó un Análisis de Varianza (ANOVA) para los datos que presentaron una distribución normal y el método Kruskal Wallis Anova para los que no. La incorporación de PCR modificó las propiedades mecánicas de material; mejorando el módulo de elasticidad y la dureza, pero disminuyeron la resistencia a la tracción, desgarre y abrasión, la permeabilidad al agua y la solubilidad en hidrocarburos no se vieron afectadas.. Palabras clave: caucho reciclado, material compuesto, poliuretano, propiedades.. xi.

(13) ABSTRACT The main objective of this project was to analyze the influence on the mechanical and thermal properties when incorporating recycled rubber’s particles as reinforcement in a thermo-plastic polyurethane (TPU) matrix. Two influence factors were analyzed: the particle size of recycled rubber (840, 500, 177 μm) and its concentration (10, 20, 25 wt %). This composite material was obtained through extrusion and injection processes. The test pieces for the trials for traction, tearing, hardness and abrasiveness were obtained from a process called die-cutting under the ASTM D412-16, D1004-13, D2240 and INEN 1924 standards, respectively. The water permeability analysis was performed by a methodology proposed by another researcher and the resistance to hydrocarbons was done using the ASTM D471 standard. Moreover, a thermal characterization on the material was done through a thermo-gravimetric analysis, and it also was performed some scanning electron microscopy to observe the adherence of the matrix and the reinforcement. On the other hand, in order to analyze the obtained results and determine the factors that influence on the mechanical properties, a statistics analysis was performed using the Shapiro Willks method to determine the data normality, later, an Analysis of Variance (ANOVA) for the data that presented a normal distribution and the Kruskal Wallis Anova method for the rest of the data. The results show that incorporating recycled rubber particles modified the mechanical properties of the material; improving the elasticity and hardness properties, but. decreasing. traction,. tearing. and. abrasiveness. resistance;. however,. permeability, and hydrocarbons solubility were not affected.. Keywords: recycled rubber, composite material, polyurethane, properties.. xii. water.

(14) “SINTESIS DE UN MATERIAL COMPUESTO A PARTIR DE CAUCHO RECICLADO Y POLIURETANO” INTRODUCCIÓN En la actualidad, al país ingresan aproximadamente 3 millones de neumáticos al año, de los cuales 2,4 millones (80%) son desechados después de su uso. La mayor parte de este 80% es desechado de forma inadecuada; se depositan en un relleno sanitario, disminuyendo su tiempo de vida útil por el gran volumen que ocupan, se queman al aire libre produciendo emisiones contaminantes que contienen CO, CO2, SO2 (generador de lluvia ácida), metales pesados y clorocarbonatos (causantes del deterioro de la capa de ozono); o se colocan en lugares inadecuados generando contaminación paisajística. El reciclaje es una herramienta muy útil para reducir el volumen de desechos generados, los neumáticos representan el 0,36% (4525,81 toneladas) del total de basura que se recolecta, por tal motivo es necesario realizar un análisis sobre su posible uso, entre éstos se ha investigado la síntesis de un material compuesto. Al desarrollar el material propuesto a partir de residuos se puede colaborar con la preservación del medio ambiente e incrementar el tiempo de vida útil del relleno sanitario en la ciudad. El material fabricado podrá utilizarse en la industria de la construcción o en diferentes áreas de ingeniería. Para el presente proyecto de investigación se sintetizará un material que contenga caucho reciclado y poliuretano. Se definirá el porcentaje en peso adecuado de los componentes que se usará en el material. Además, se definirá el efecto de la granulometría del caucho reciclado y el tipo de poliuretano en las propiedades físicas y mecánicas del material compuesto.. 1.

(15) Objetivo general Sintetizar un material compuesto a partir de caucho reciclado y poliuretano. Objetivos específicos ·. Determinar la granulometría del caucho que le proporcione buenas propiedades físicas y mecánicas al material compuesto.. ·. Determinar la relación caucho-poliuretano que proporcionará las mejores propiedades físicas y mecánicas al material compuesto.. ·. Proponer posibles usos del material compuesto en la industria de la construcción, según sus características.. 2.

(16) 1. MARCO TEÓRICO 1.1. Características y usos del caucho El caucho es un compuesto polimérico formado por un hidrocarburo que se muestra como un material viscoso elástico llamado látex, el cual puede ser natural o sintético, se caracteriza por ser elástico, repelente al agua y poseer resistencia eléctrica. Se emplea un procedimiento llamado vulcanización que mejora las propiedades del caucho natural, a partir de la invención de este proceso se inicia a producir el caucho sintético.. 1.1.1. Caucho Natural Se adquiere a partir del látex contenido dentro del árbol Hevea brasiliensis, el látex posee entre un 25 y 40% de caucho. Michael Faraday descubrió que el caucho natural contiene carbono e hidrógeno con una relación atómica de 5 a 8, es así como determina la fórmula empírica, la cual se representa a partir de C5H8, se trata del único polímero constituido por un hidrocarburo que se encuentra en la naturaleza (Bekkedahl N., s.f.). La propiedad visco elástica se deriva de su estructura, la cual se caracteriza por cadenas poliméricas largas fusionadas por enlaces cruzados covalentes, lo que permite la distribución uniforme de la tensión aplicada y el retorno a la forma original, cuando se elimina la fuerza exterior, no obstante esta elasticidad se limita dentro de un rango de temperatura, es muy rígido y frágil cuando se enfría, al contrario tiene una excesiva viscosidad cuando se calienta.. 1.1.2. Caucho sintético Charles Goodyear descubrió que agregar azufre al caucho natural y calentarlo mejora notablemente sus propiedades, las moléculas del caucho reaccionan con el azufre formando un polímero reticular, a este proceso se lo denomina vulcanización. La adición del 3 al 8 % de azufre garantiza que el caucho recupere su estado primitivo al momento que la fuerza de deformación es retirada, es decir se mantiene su elasticidad, a su vez brinda mayor resistencia, por tal motivo el caucho sintético o también llamado elastómero es menos frágil que el natural.. 3.

(17) El caucho sintético se consigue por reacciones químicas, denominadas condensación o polimerización, desde determinados hidrocarburos insaturados. Los compuestos básicos del caucho sintético conocidos como monómeros, poseen una masa molecular baja que forman moléculas gigantes denominadas polímeros (Seymour, R. B., 1995). Las propiedades del caucho bruto se dividen en químicas y físicas; posee baja solubilidad, el caucho calentado hasta 200 °C se ablanda y sus soluciones tienen menor viscosidad, si se produce un cambio a caucho cíclico se aumenta la densidad y la solubilidad, el producto obtenido es una dura y frágil resina. A -195 °C es un sólido rígido y transparente, de 0 a 10 °C es frágil y opaco, por arriba de 20 °C es blando, flexible y translúcido, al someterlo mecánicamente o al calentarlo sobrepasando los 50 °C el caucho consigue una estructura de plástico pegajoso, la densidad relativa del caucho a 0 °C y 20 °C es de 0,950 y 0,934 respectivamente (Katime, I., 2004). En la tabla 1.1., se muestra una comparación de las diferentes propiedades del caucho natural y sintético. Tabla 1.1. Comparación entre el caucho natural y sintético.. Propiedad característica. Caucho Natural. Caucho Sintético. Elasticidad. Es elástico. Es elástico. Recuperación frente a un esfuerzo. No vuelve fácilmente a su longitud primitiva. Se retrae rápidamente. Comportamiento en caliente. Se ablanda fácilmente por el calor. No se ablanda por el calor. Adhesión. Es adhesivo. No es adhesivo. Abrasión. Poca resistencia a la abrasión. Mucha resistencia a la abrasión. Solubilidad. Soluble en solventes orgánicos. Insoluble en solventes orgánicos. (Fuente: propia). 4.

(18) 1.1.3. Usos del caucho El caucho desde 1823 se emplea como material para prendas de vestir. Además, por su elasticidad, resistencia y repelencia al agua, se utiliza en neumáticos, artículos impermeables y aislantes, entre otros productos. Según datos, se continúa produciendo millones de toneladas de caucho natural, sin embargo más de la mitad del que se usa en el mundo es sintético (Daganzo, J., 2011). El caucho se utiliza por sus propiedades sellantes para los tejados de las grandes plantas industriales hasta para pequeñas tuberías de motores. Además, es importante destacar la utilización en el recubrimiento de cables y en calzado, en la elaboración de correas transportadoras, mangueras, alfombras para coches, esponjas, trajes de los buzos submarinos, correas o bandas para mover grandes máquinas.. Alrededor del 60 % de los 22 millones de toneladas de caucho utilizados en el mundo está representado en la producción de neumáticos de todo tipo. La composición de los neumáticos se muestra en la tabla 1.2. Tabla 1.2. Composición de Neumáticos.. Material. Porcentaje. Caucho. 48%. Negro de carbono. 22%. Acero. 15%. Textil. 5%. Óxido de Zinc. 1%. Azufre. 1%. Aditivos. 8%. (Fuente: European Tyre Recyling Association). 5.

(19) En la figura 1.1., se presenta la micrografía del caucho sintético utilizado en neumáticos.. Figura 1.1. Micrografía del caucho sintético de un neumático. (Fuente: Callister, W., 1996, Ciencia e Ingeniería de los Materiales). El caucho también se usa para fusionar con otros polímeros, entre los más utilizados se encuentran: el NR (Natural Rubber) y el SBR (Styrene-Butadiene Rubber) los cuales son usados para la fabricación de todo tipo de artículos industriales; el CR (Neopreno), el NBR (Nitrilo) y el EPDM (Etileno Propileno), por su resistencia mecánica y elasticidad son usados ampliamente en ciertas aplicaciones industriales. Además, los cauchos se mezclan con diferentes materiales para obtener lo que se denomina como goma.. 1.2. Reciclaje del caucho En la actualidad, al país ingresan aproximadamente 3 millones de neumáticos al año de los cuales 2,4 millones son desechados después de su uso. En Quito según datos de la Empresa Pública Metropolitana de Aseo (EPMA) se genera 1500 toneladas de basura diarias, de las cuales 15,75 son caucho entre las que se encuentran los neumáticos desechados. En el Acuerdo Ministerial (AM) 098, que corresponde a la gestión de los neumáticos fuera de uso, se implanta la reutilización del 30% de lo puesto en el mercado, logrando recuperar adecuadamente 942225 unidades; 32% por reencauche y 68% por reciclaje. Los neumáticos, producto principal que contiene caucho, proporcionan una difícil gestión y un elevado impacto ambiental, debido a su: ·. Baja degradabilidad.. ·. Su tamaño y forma, ocupando grandes espacios en el destino final.. ·. Su baja densidad que provoca difícil compactación.. 6.

(20) ·. Su elasticidad que produce inestabilidad de los residuos colocados sobre este material en un relleno sanitario (Castells, 2012).. Desde el punto de vista del reciclaje es importante encontrar un sistema que permita la desvulcanización del neumático que de por si es un residuo complejo. En la figura 1.2., se observa la composición de los neumáticos.. Figura 1.2. Composición del neumático. (Fuente: http://neumaticosnasa.blogspot.com/2016/03/proceso-de-fabricacion-del-neumatico-1.html). Para la anulación de éstos residuos se realiza con frecuencia la combustión directa de los mismos provocando una gran cantidad de gases y partículas tóxicas emitidas al medio ambiente. Si no se eliminan de esta forma se encuentran montañas de neumáticos que son ecosistemas ideales para el hábitat de vectores causantes de diferentes enfermedades al ser humano (Castro, 2007). Debido a los motivos mencionados se investigan metodologías para reutilizar los neumáticos, con el objetivo de respetar el medio ambiente. Existen industrias especializadas en el reciclaje del caucho, las cuales han desarrollado diversos métodos y tecnologías de recuperación de los neumáticos sin uso.. 1.2.1. Métodos de recuperación de neumáticos 1.2.1.1.. Métodos mediante aplicación de calor. Termólisis En este proceso se somete al residuo a altas temperaturas en un ambiente anaerobio (carente de oxígeno), se produce una ruptura de los enlaces químicos que provoca la 7.

(21) aparición de cadenas de hidrocarburos, los verdaderos componentes de los neumáticos. Con la ayuda de este proceso se consigue metales, hidrocarburos sólidos y gaseosos que son usados reiteradamente en la fabricación de neumáticos. Pirólisis Este proceso es la degradación térmica de un residuo con excepción de metales y vidrios, se produce debido al calentamiento con carencia de oxígeno y no emana muchos contaminantes al medio ambiente. Con la ayuda de este método se realiza la degradación del caucho obteniendo un gas llamado GAZ similar al propano, el cual es de uso industrial. Incineración Se refiere a la combustión completa del residuo hasta obtener ceniza, se efectúa en hornos mediante oxidación química. El proceso tiene un elevado costo y a su vez es difícil de controlar debido a las diferentes velocidades de combustión de los componentes que constituyen el neumático y por la necesidad de realizar una eliminación de los gases que emana el proceso, sin embargo se puede usar como energía gracias a la generación de calor. 1.2.1.2.. Métodos físicos. Trituración criogénica En este proceso los neumáticos usados son congelados con nitrógeno líquido para después ser golpeadas y así se pueda separar la estructura metálica, el caucho en forma de polvo y los materiales textiles. Es un método complejo debido a la maquinaria necesaria y por la dificultad del proceso. Se obtienen productos de muy baja calidad. Trituración mecánica Es un proceso netamente mecánico sin la presencia de agentes químicos ni adición de calor que consiste en convertir los residuos de neumáticos en partículas pequeñas y homogéneas mediante una serie de triturados sucesivos para luego emplear clasificadores neumáticos y magnéticos que separan el acero y la fibra textil. El tamaño de la partícula depende del uso posterior del material.. 8.

(22) Conversión en energía eléctrica Los neumáticos usados son introducidos en una caldera para su combustión liberando calor que se convierte en vapor de temperatura y presión elevada, que genera energía. En la tabla 1.3., se presentan las ventajas y desventajas de los diferentes métodos usados para la recuperación de los neumáticos usados. Tabla 1.3. Ventajas y desventajas de los métodos de recuperación de neumáticos.. Proceso. Ventajas El material no es quemado directamente. Se obtiene una recuperación total de los componentes del neumático.. El neumático primero ser sometido a trituración mecánica. Es necesario infraestructura de capacidad.. -. Se producen compuestos químicos y gases que son utilizados en el mismo proceso o en otras acciones.. Tiene un alto costo. Posible emisión de gases a la atmósfera.. -. Produce calor, el cual es usado para la generación de energía.. -. Tiene un alto costo, difícil de controlar y produce una alta contaminación.. -. Las partículas obtenidas son de superficie suave. Tiene un amplio rango de tamaño de partícula.. Baja calidad del material. Requiere de instalaciones de alto costo.. Productos de alta calidad y sin impurezas. Amigable con el medio ambiente. Exige un mantenimiento constante en varias partes de la maquinaria.. Termólisis. -. Pirolisis. Incineración. Trituración criogénica. Trituración mecánica. Desventajas. -. debe una una gran. (Fuente: Castro, 2007). 1.3. Usos del caucho reciclado La búsqueda de nuevas aplicaciones para el caucho reciclado debe orientarse a obtener productos con valor agregado, para que la alternativa planteada sea atractivamente económica, tenga mayores posibilidades de comercialización y aumentar los volúmenes de utilización de caucho reciclado y así disminuir el impacto ambiental (Peláez, G., 2017).. 9.

(23) Después de analizar las diferentes alternativas de reciclaje de neumáticos se puede concluir que la trituración mecánica es el proceso más idóneo para generar diferentes alternativas de uso. Por este método se obtiene partículas pequeñas, manejables, de alta calidad y muy amigables con el medio ambiente ya que no generan ningún subproducto perjudicial o contaminante. Algunos usos son los siguientes: a) Asfalto El caucho granulado originario de los neumáticos reciclados puede usarse como componente de las capas asfálticas, se pueden aprovechar entre 1000 y 7000 neumáticos por kilómetro de carretera, por tal motivo se considera como una de las grandes soluciones del uso del caucho reciclado. Las carreteras que contienen estos asfaltos son mejores y más seguras, además aumentan su tiempo de vida. b) Instalaciones deportivas El caucho granulado también es empleado en pistas atléticas sintéticas para mejorar la durabilidad, resiliencia, capacidad de drenaje y dureza.. c) Materiales de Construcción Las partículas de caucho se mezclan con hormigón para la construcción de edificios, gracias al caucho se puede mejorar las propiedades térmicas y aislamiento acústico. d) Campos de césped artificial Los gránulos de neumáticos reciclados en campos de césped artificial se usan como relleno de la fibra sintética o como capa de base para el césped, de las dos formas muestra ventajas tales como; la reducción en el consumo de agua, fácil mantenimiento gracias a la durabilidad y resistencia climática del granulado. e) Capas drenantes en vertederos El triturado de neumáticos reciclados es un buen material drenante ya que posee alta conductividad hidráulica, en los vertederos se puede utilizar en diferentes capas estructurales que lo conforman: de recogida de lixiviados, de recogida de aguas superficiales, de recogida de biogás, además es usado como relleno de las zanjas o pozos drenantes de recolección.. 10.

(24) f). Calzado. El granulado de caucho es usado en las suelas de los zapatos dándole una gran durabilidad.. 1.4. Mezclas de Caucho y Polímeros La incorporación de gránulos de caucho de neumáticos reciclados (GTR) en polímeros se considera como un proceso de reúso. Los GTR contienen caucho natural y sintético que pueden usarse en polímeros tales como termoplásticos y termoestables, sin embargo la compatibilidad es un problema importante ya que las mezclas que contienen GTR típicamente tienen propiedades mecánicas bajas debido a la unión insuficiente con la matriz. Para mejorar la unión y promover la transferencia de tensiones de la mezcla se puede modificar la superficie del caucho de neumáticos reciclados. Las partículas de caucho reciclado pueden modificarse químicamente, es decir su superficie se altera mediante oxidación usando permanganato de potasio, ácido nítrico, ácido sulfúrico o peróxido de hidrógeno; estos compuestos causan un ataque químico en la superficie de las partículas de GTR capaz de producir mezclas con propiedades equilibradas, ya que mejora la adhesión mecánica entre el caucho y la matriz (Ramarad, S., 2015).. 1.4.1. Caucho y Poliuretano Las espumas rígidas de poliuretano y sus compuestos tienen una extensa gama de propiedades de rendimiento tales como la baja densidad, buenas propiedades mecánicas, una baja conductividad térmica y excelentes capacidades de amortiguación, por tal motivo tiene aplicaciones frecuentes en diversas ramas de la industria. Por el procesamiento relativamente simple y el amplio espectro de propiedades que puede adoptar fácilmente por el cambio de la estructura química del poliuretano o aplicación de aditivos modificadores, han generado interés en su investigación. La mezcla de caucho de los neumáticos reciclados con polímeros permite reducir el coste de los productos creados, además soporta el sistema de 3R (Reducir, reutilizar y reciclar). La estructura reticulada de los residuos de caucho triturado tiene un impacto negativo significativo en la fuerza de las interacciones entre las partículas de caucho y la matriz polimérica, es decir la incorporación de grandes cantidades de GTR en las 11.

(25) composiciones de polímero da como resultado, en varios casos un empeoramiento de las propiedades mecánicas por su baja adhesión. Una de las posibles soluciones para el problema de la adhesión débil de GTR a una matriz de polímero es la incorporación de espuma del material de procesamiento (Lukasz Piszczyk, 2014). En los últimos años, se han realizado investigaciones sobre las composiciones de polímero espumado que contienen partículas de caucho, una de las alternativas es por ejemplo el poliuretano con GTR, la estructura reticulada de GTR en mezcla con la estructura de la matriz de poliuretano permite obtener un material con buenas propiedades mecánicas.. 12.

(26) 2. METODOLOGÍA El objetivo principal de la presente investigación es la síntesis de un material compuesto usando gránulos de caucho de los neumáticos fuera de uso y poliuretano. En esta sección se detalla los diferentes procedimientos que se realizaron para la obtención final del material compuesto. Se presentan la caracterización de la materia prima pura, se define la metodología que se usará para la obtención del material compuesto, los ensayos mecánicos y de caracterización del material compuesto.. 2.1. Diseño Experimental Para el diseño experimental se utilizó un modelo factorial de dos factores, los parámetros empleados se presentan en la tabla 2.1. Tabla 2.1. Parámetros del diseño experimental.. Parámetros. Datos Porcentaje en peso de caucho y poliuretano.. Factor Tamaño de partícula de caucho reciclado.. 90-10% 80-20% 75-25% 177 μm 500 μm 840 μm. Ensayos mecánicos (tracción, desgarre, abrasión y Variables respuesta. dureza), ensayo de permeabilidad al agua y resistencia a hidrocarburos.. Nivel de significación Número de repeticiones Número total de observaciones. 0,05 1 250 El tamaño de partícula y la cantidad de CR no. Hipótesis Nula H0. influye en las propiedades mecánicas y térmicas. El tamaño de partícula y la cantidad de CR si influye. Hipótesis Alternativa H1. en las propiedades mecánicas y térmicas.. (Fuente: Propia). 13.

(27) 2.2. Materiales Utilizados El caucho reciclado (CR) utilizado fue una donación de la empresa RUBBERACTION. El caucho tenía dos granulometrías, el primero de 1 - 3 mm y el segundo menor a 1 mm. El poliuretano utilizado fue de tipo termoplástico (TPU), marca AVALON y se presenta en forma de pellets con una dureza de 67 Shore A, este material fue proporcionado por la empresa Mil Plast de la ciudad de Ambato.. 2.3. Metodología Experimental En este punto se describe el proceso experimental realizado en la presente investigación, en la cual se investiga la influencia del tamaño de partícula y las concentraciones de PCR y TPU en las propiedades del material compuesto.. 2.3.1. Caracterización del Caucho Reciclado Se determinó el contenido de material ferroso, fibra textil, distribución del tamaño de partícula y humedad, para lo cual se utilizaron los siguientes materiales y equipos: ·. Juego de tamices normalizados ASTM E-11 No. 6, 8, 12, 20, 30 y 40. ·. Tamizadora marca TYLER, modelo Ro-TAP 20097. ·. Balanza electrónica marca SHIMADZU, modelo AUX 220, capacidad máxima: 220 g, apreciación: 1 mg.. ·. Termobalanza marca OHAUS, modelo MB45; apreciación: 0,001 g, 0,01%. 2.3.1.1.. Distribución del tamaño de partícula. Para establecer la distribución del tamaño se consideró el método A de la norma ASTM D5644-01, el cual consiste en preparar una torre de seis tamices ordenados desde el tamaño de malla más grande hasta el tamaño de malla más pequeño. Se preparó dos mezclas (una de las muestras representa la réplica del análisis) 100 g de partículas de caucho y 5 g de talco, cada muestra se colocó en el tamiz superior. Posteriormente la torre de tamices se ubicó en la tamizadora, durante 10 minutos.. 14.

(28) Finalmente, en la balanza de precisión SHIMADZU, se determinó la masa de las muestras contenidas en cada uno de los tamices, incluido el del fondo. Para la clasificación del tamaño de partícula se utilizó la norma ASTM D5603-01. En la tabla 2.1., se muestran los resultados de distribución del tamaño de partícula. 2.3.1.2.. Contenido de fibra textil. Para establecer el contenido de fibra textil en las muestras de caucho reciclado se consideró la norma ASTM D5603-01. El proceso de tamizado ayuda a que las fibras textiles se agrupen en forma de motas en los tamices de menor mallado, incluso en el fondo, figura 2.1. Esta fibra se separó de los gránulos de caucho para luego determinar la masa total.. Figura 2.1. Motas de fibra textil agrupadas en los tamices. (Fuente: Propia). 2.3.1.3.. Contenido de material ferroso. Para determinar el contenido de material ferroso en las muestras de caucho reciclado se siguen los lineamientos de la norma ASTM D5603-01. Se extendió 100 g de muestra sobre una superficie plana no magnética para luego pasar un imán sobre y a través de dicha muestra en un tiempo de 60 segundos. Después se procede a retirar el material ferroso acumulado en el imán para determinar la masa del mismo mediante la balanza de precisión. En la figura 2.2., se puede observar el procedimiento realizado.. 15.

(29) Figura 2.2. Separación de material ferroso contenido en la muestra de caucho reciclado. (Fuente: Propia). 2.3.1.4.. Humedad. La humedad de las muestras fue determinada a través de una termobalanza OHAUS que trabaja mediante el principio termo gravimétrico. Se pesó dos muestras de 1,236 y 1,225 g en el plato del equipo y se secó a una temperatura de desecación de 80 °C.. 2.3.2. Preparación del material compuesto 2.3.2.1.. Denominación del material compuesto. La nomenclatura utilizada para identificar a cada material se presenta en la tabla 2.2. Tabla 2.2. Nomenclatura para cada tipo de material compuesto.. Material. Nomenclatura. Poliuretano termoplástico. TPU. Caucho reciclado. CR. Porcentaje en peso poliuretano. x. Porcentaje en peso de caucho. y. Tamaño de partícula de caucho. z. Material compuesto de poliuretano-caucho. TPUx-CRy-z. (Fuente: Propia). 16.

(30) 2.3.2.2.. Preparación del material compuesto. Se preparó 1 kg de material compuesto, de tres composiciones y tres granulometrías diferentes. Además, se procesó TPU puro para determinar las diferencias con los materiales compuestos. En la tabla 2.3., se presenta los respectivos porcentajes usados: Tabla 2.3. Identificación de cada tipo de material compuesto.. wt% de. wt% de polvo de. Tamaño de. poliuretano. caucho. partícula (μm). TPU. 100. 0. -. TPU90-CR10-P. 90. 10. Polvo. TPU80-CR20-P. 80. 20. Polvo. TPU75-CR25-P. 75. 25. Polvo. TPU90-CR10-35. 90. 10. 500. TPU80-CR20-35. 80. 20. 500. TPU75-CR25-35. 75. 25. 500. TPU90-CR10-20. 90. 10. 840. TPU80-CR20-20. 80. 20. 840. TPU75-CR25-20. 75. 25. 840. Material. (Fuente: Propia). Para la formulación del material compuesto se pesó las respectivas cantidades de CR y TPU en una balanza electrónica de precisión marca ADAM, posteriormente se secaron los pellets de poliuretano y polvo de caucho para evitar alguna interferencia en el proceso de extrusión, la humedad permitida debe ser 0,1% para el polvo de caucho y 0,05% para el poliuretano termoplástico (AVALON, 2008). Para secar los materiales se utilizó la estufa marca VENTICELL del Laboratorio de Nuevos Materiales (LANUM) por aproximadamente 7 horas a una temperatura de 70 °C. 2.3.2.3.. Extrusión. Se utilizó una extrusora marca COPERION ZSK 18 ML, del LANUM, que cuenta con dos tolvas de alimentación; la principal en la cual se dosificó el TPU (matriz) y la secundaria que se usó para dosificar el CR (refuerzo). El perfil de temperaturas utilizado para procesar el poliuretano termoplástico se indica en el Anexo I. 17.

(31) Una vez dosificados los dos materiales pasaron por los husillos de la extrusora, los cuales unen el TPU fundido con el CR para obtener el material compuesto; que sale en forma de hilos por el dado ubicado al final de los husillos. Los hilos de material compuesto pasaron por un canal de enfriamiento. Finalmente, los hilos de material compuesto se cortaron en forma de pellets y se secaron en la estufa marca VENTICELL a 70 °C para reducir la humedad captada en el proceso. 2.3.2.4.. Inyección. Los pellets obtenidos después del proceso de extrusión fueron inyectados en una inyectora marca MILACRON. Para utilizar el equipo se ingresó el perfil de temperaturas, perfil de presiones, tamaño de disparo y velocidad de inyección. Los parámetros de inyección tomados de la ficha técnica del TPU AVALON fueron temperaturas de 35, 165, 166, 167 y 171 °C, la temperatura máxima de trabajo fue de 175 °C para evitar la degradación de las partículas de caucho. El material pelletizado se alimentó en la tolva y se inyectó en un molde cuadrangular de 250x250x6 mm. 2.3.2.5.. Troquelado. Todas las placas resultantes del proceso de inyección se troquelaron en el Centro de Investigación Aplicado a Polímeros (CIAP) de la EPN, obteniéndose probetas normalizadas de tracción y desgarre mostradas en la figura 2.3.. Figura 2.3. Moldes normalizados para Troquelado. (Fuente: ASTM D412-16 y ASTM D1004-13). 18.

(32) 2.3.3. Ensayos mecánicos Se efectuaron ensayos de tracción, desgarre, abrasión y dureza. Por medio de estos ensayos se realizó la caracterización mecánica. 2.3.3.1.. Tracción. Los ensayos de tracción se realizaron con base en los parámetros de la norma ASTM D412-16 que es aplicable a cauchos vulcanizados termoestables y elastómeros termoplásticos. La norma indica que existen diferentes tipos de probetas para realizar el ensayo, en esta investigación se escogió una probeta tipo mancuerda con las dimensiones que se especifican en la figura 2.4. Se ensayaron cinco probetas de acuerdo a lo que detalla la norma.. Figura 2.4. Dimensiones de las probetas para ensayo de tracción bajo la norma ASTM D412-16. (Fuente: Propia). 2.3.3.2.. Desgarre. Los ensayos de desgarre se realizaron bajo la norma ASTM D1004-13. Se utilizaron diez probetas de tipo S, como se indica en la figura 2.5.. Figura 2.5. Dimensiones de las probetas para ensayo de desgarre bajo la norma ASTM D1004-13. (Fuente: Norma ASTM D1004-13). 19.

(33) 2.3.3.3.. Abrasión. El ensayo de abrasión se realizó bajo la norma INEN 1924, la cual determina la resistencia a la abrasión, se utilizó una probeta cilíndrica de 16 mm de diámetro, con una altura mínima de 6 mm, el tiempo a ensayar fue de 1,35 min; tiempo en el cual la probeta recorre una longitud de 40 m sobre un cilindro giratorio cuya superficie es abrasiva. Se utilizó una nomenclatura más sencilla (tabla 2.4.) para poder identificar las probetas fácilmente. Tabla 2.4. Identificación del material compuesto.. Material. Identificación. TPU90-CR10-P. 1A. TPU80-CR20-P. 2A. TPU75-CR25-P. 3A. TPU90-CR10-35. 1B. TPU80-CR20-35. 2B. TPU75-CR25-35. 3B. TPU90-CR10-20. 1C. TPU80-CR20-20. 2C. TPU75-CR25-20. 3C. TPU PURO. P. (Fuente: Propia). En la figura 2.6., se indica las probetas a ser ensayadas con su respectiva identificación.. Figura 2.6. Probetas preparadas para el ensayo de abrasión bajo la norma INEN 1924. (Fuente: Propia). 20.

(34) 2.3.3.4.. Dureza. El ensayo de dureza se ejecutó con los parámetros de la norma ASTM D2240, la cual se usa para determinar la dureza de elastómeros termoplásticos, cauchos vulcanizados y algunos plásticos, las probetas tenían un espesor mínimo de 6 mm. Para el análisis se usó un durómetro en la escala Shore A.. 2.3.4. Otros ensayos realizados Para caracterizar el material compuesto y definir algunas otras propiedades del material se efectuaron ensayos de permeabilidad al agua, solubilidad en hidrocarburos, TGA y microscopía electrónica de barrido (SEM). Los ensayos de TGA y SEM se realizaron en las muestras que presentaron las mejores propiedades mecánicas. 2.3.4.1.. Permeabilidad en agua. Para determinar la permeabilidad se pesaron muestras del material, en vasos de precipitación se midió 50 mL de agua potable y se colocó las probetas durante 15 días a condiciones ambientales. Posteriormente, se secaron las muestras durante una hora a temperatura ambiente y se pesaron. 2.3.4.2.. Solubilidad en hidrocarburos. Este ensayo se realizó bajo la norma ASTM D471, se pesaron muestras del material y se colocaron en 50 mL de gasolina, después de 72 horas se sacaron las muestras y se secaron a temperatura ambiente durante una hora y pesaron. 2.3.4.3.. Análisis termogravimétrico (TGA). El análisis de TGA evalúa el cambio de masa y la tasa de cambio en función de la temperatura en una atmósfera controlada de nitrógeno. Se usó un analizador termogravimétrico Q500 de marca TA INSTRUMENTS, se ingresó datos de temperaturas inicial y final, velocidad. El estudio se realizó para tres composiciones y para la matriz pura. En la tabla se presenta los parámetros empleados.. 21.

(35) Tabla 2.5. Parámetros para análisis de TGA.. Parámetros. Valor. Temperatura inicial [°C]. 23. Temperatura final [°C]. 900. Velocidad de calentamiento [°C/min]. 10. Atmósfera. Nitrógeno. (Fuente: Propia). 2.3.5. Análisis estadístico Se efectuó un análisis estadístico de los resultados obtenidos en los diferentes ensayos realizados. Se utilizó el método de análisis de varianza ANOVA para los resultados que siguen una distribución normal y el análisis KRUSKAL WALLIS ANOVA para los que no presentan una distribución normal. Posteriormente se aplicó, el método de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher para determinar que muestras presentan diferencia estadística significativa, con un nivel de confianza del 95 %. Se usa como herramienta de trabajo el software STATGRAPHICS CENTURION, el procedimiento consiste en elaborar un modelo estadístico que señale como afecta un factor X en una variable dependiente Y.. 22.

(36) 3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS En este capítulo se muestran los resultados de la caracterización del caucho reciclado y de los diferentes ensayos realizados; (tracción, desgarre, abrasión, dureza, permeabilidad al agua y solubilidad en hidrocarburos) para los diferentes materiales compuestos y los resultados del TGA y SEM para los materiales con mejores propiedades mecánicas. Además, se presentan los resultados del análisis estadístico que permiten determinar si existe una diferencia estadística significativa entre los resultados de los ensayos.. 3.1. Resultados de la caracterización del caucho reciclado 3.1.1. Distribución del tamaño de partícula En la tabla 3.1., se presenta los resultados de la distribución del tamaño de partícula del caucho reciclado bajo la norma ASTM D5644-01. Tabla 3.1. Resultados de distribución del tamaño de partícula del caucho reciclado.. Tamiz ASTM. TYLER. No.. MESH. Apertura del mallado (mm). Masa. Masa. Masa. Masa. retenida. retenida. retenida. retenida. muestra 1. muestra 1. muestra 2. muestra 2. (g). (%). (g). (%). 6. 6. 3,35. 0,1381. 0,13. 0,3488. 0,34. 8. 8. 2,36. 32,6147. 31,71. 31,2257. 30,34. 16. 12. 1,70. 36,6446. 35,63. 35,8756. 34,85. 20. 20. 0,840. 24,1025. 23,43. 25,5132. 24,79. 30. 30. 0,594. 5,2597. 5,12. 6,2522. 6,07. 40. 40. 0,419. 1,3767. 1,34. 2,0091. 1,95. 2,7137. 2,64. 1,7132. 1,66. FONDO (Fuente: Propia). 3.1.2. Contenido de fibra textil El contenido de fibra textil presente en las muestras de caucho reciclado se presenta en la tabla 3.2.. 23.

(37) Tabla 3.2. Contenido de fibra textil presente en 100 g de caucho reciclado.. Muestra. Masa de fibra textil [g]. Porcentaje de fibra textil [%]. Muestra 1. 1,7139. 1,713. Muestra 2. 0,9263. 0,9263. (Fuente: Propia). 3.1.3. Contenido de material ferroso En la tabla 3.3., se presenta el contenido de material ferroso contenido en el caucho reciclado. Tabla 3.3. Contenido de material ferroso en 100 g de caucho reciclado.. Muestra. Masa de material ferroso [g]. Porcentaje de material ferroso [%]. Muestra 1. 0,0192. 0,0192. Muestra 2. 0,0181. 0,0181. (Fuente: Propia). 3.1.4. Contenido de humedad Los porcentajes de humedad contenido en el caucho reciclado se presentan en la tabla 3.4. Tabla 3.4. Porcentaje de humedad contenido en 100 g de caucho reciclado.. Muestra. Porcentaje de humedad [%]. Muestra 1. 0,41. Muestra 2. 0,48. (Fuente: Propia). 3.2. Ensayos para Caracterización Mecánica 3.2.1. Ensayos de tracción En la figura 3.1., se presentan los resultados de los ensayos de tracción, los mismos que son el promedio de los valores obtenidos para cinco probetas de cada composición.. 24.

(38) Módulo de elasticidad [MPa]. 10. a). 8. 6. 4. 2. 0. b). Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia [MPa]. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0. c). Porcentaje de elongación en el punto de fluencia [%]. 1400 1200 1000 800. POLVO # 35 # 20 Puro. 600 400 200 0 TPU90-CR10. TPU80-CR20. TPU75-CR25. Composición. Figura 3.1. Propiedades de tracción obtenidas del TPU y materiales compuestos: a) Módulo de elasticidad b) Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia c) Porcentaje de elongación en el punto de fluencia. (Fuente: Propia). 3.2.1.1.. Influencia del tamaño de partícula. A continuación se presenta un análisis de la influencia del tamaño de partícula del caucho en el material TPU80-CR20. En la figura 3.1., se observó que la resistencia a la tracción y la ductilidad del material disminuyen cuando incrementa el tamaño de partícula. El TPU puro tiene mayor resistencia a la tracción pero menor módulo de elasticidad. La figura 3.2., muestra lo presentado en la figura 3.1c., es decir el TPU tiene una mayor deformación respecto a los demás compuestos.. 25.

(39) Figura 3.2. Deformación de las probetas después del ensayo de tracción para las muestras TPU80–CR20. (Fuente: Propia). En la figura 3.3., se aprecia la zona de ruptura y no se observa diferencias significativas entre probetas, es decir las partículas de caucho se adhieren homogéneamente al material base.. Figura 3.3. Zona de fractura en las probetas ensayadas. (Fuente: Propia). Los resultados del análisis estadístico de la influencia del tamaño de partícula en la resistencia a la tracción se presentan en la figura 3.4. El ANOVA, indica que existe una diferencia estadística significativa entre tamaños de partículas de caucho (PCR), específicamente entre TPU80-CR20-20/TPU80-CR20-35 y TPU80-CR20-35/TPU80CR20-P.. 26.

(40) Resistencia a la Tracción [MPa]. 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 TPU80-CR20-20. TPU80-CR20-35 Material. TPU80-CR20-P. Figura 3.4. Medias de los resultados de la resistencia a la tracción para la composición TPU80CR20 variando el tamaño de partícula. (Fuente: Propia). En la figura 3.5., se observa las medias del porcentaje de elongación del compuesto, el análisis ANOVA indica que existe una diferencia estadística significativa entre los tres tamaños de partícula, por lo tanto el tamaño de partícula del caucho influye en la elongación del material.. Porcentaje de Elongación [%]. 630. 530. 430. 330. 230 TPU80-CR20-20. TPU80-CR20-35 Material. TPU80-CR20-P. Figura 3.5. Medias de los resultados del porcentaje de elongación para la composición TPU80CR20 variando el tamaño de partícula. (Fuente: Propia). Las medias de los resultados del módulo de elasticidad se presentan en la figura 3.6., se observa que existe una diferencia estadística significativa entre los pares de compuestos TPU80-CR20-20/TPU80-CR20-35 y TPU80-CR20-35/TPU80CR20-P.. 27.

(41) Módulo de Elasticidad [MPa]. 10,1 9,1 8,1 7,1 6,1 5,1 4,1 TPU80-CR20-20. TPU80-CR20-35 Material. TPU80-CR20-P. Figura 3.6. Medias de los resultados del módulo de elasticidad para la composición TPU80-CR20 variando el tamaño de partícula. (Fuente: Propia). Por lo tanto, mientras aumenta el tamaño de partícula disminuyen la resistencia a la tracción y la elongación, y aumenta el módulo de elasticidad. Este efecto se repite cuando se utiliza PCR menor a 177 μm. Esto se produce porque los gránulos de caucho reciclado con granulometría entre 800 μm y 2 mm muestran discontinuidad en el material y granulometrías menores a 200 μm reducen significativamente el poder aglomerante del poliuretano (Quintero, Suárez, 2009).. Para determinar la influencia del tamaño de partícula en las muestras TPU90-CR10 y TPU75-CR25 se realizó el mismo tratamiento de datos y análisis estadístico obteniéndose que; en la composición TPU75-CR25 existe una diferencia estadística significativa en las propiedades mecánicas de los tres tamaños de partícula, en la composición TPU90-CR10 existe una diferencia significativa sólo en el módulo de elasticidad. Las partículas más pequeñas brindan mejores propiedades en comparación con las partículas más grandes. Un tamaño de partícula más grande tiene una mayor probabilidad de falla por las grietas formadas, mientras que las partículas más pequeñas tienden a desarrollar pequeñas micro grietas por debajo de la dimensión de longitud crítica (Ramarad, 2015). En las investigaciones realizadas se determinó que tamaños de partícula menores o iguales a 500 μm son los más adecuados para ser utilizado en mezclas termoplásticas (Ramarad, 2015).. 28.

(42) 3.2.1.2.. Influencia de la composición. En la figura 3.7., se presentan los resultados del ensayo de tracción manteniendo un tamaño de partícula determinado y variando el porcentaje de composición de TPU y CR.. a). Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia [MPa]. 16 14 12 10 8 6 4 2. Porcentaje de elongación en el punto de fluencia [%]. 0. b). 1400 1200 1000 800 600 400 200 0. Módulo de elasticidad [MPa]. 10. c). 9 8 7 6 5. TPU90-CR10 TPU80-CR20 TPU75-CR25 Puro. 4 3 2 1 0. Polvo. # 35 Tamaño de PCR. # 20. Figura 3.7. Propiedades de tracción obtenidas del poliuretano y materiales compuestos: a) Esfuerzo de tracción en el punto de fluencia b) Porcentaje de elongación en el punto de fluencia c) Módulo de elasticidad. (Fuente: Propia). El análisis estadístico para determinar la influencia de la composición se obtuvo manteniendo el mismo tamaño de partícula de caucho y variando la composición de los componentes. En la figura 3.8., se presentan las medias resultantes de la resistencia a la tracción, indicando que existe diferencia estadística significativa entre dos grupos y una homogeneidad entre la composición TPU80-CR20 y TPU75-CR25. 29.

(43) 5,5. Esfuerzo de Tracción. 5,1 4,7 4,3 3,9 3,5 3,1 TPU75-CR25-P. TPU80-CR20-P Material. TPU90-CR10-P. Figura 3.8. Medias de la resistencia a la tracción para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR. (Fuente: Propia). Las medias de los resultados del porcentaje de elongación indican que existe una diferencia estadística significativa entre las tres composiciones, como se indica en la figura 3.9., por lo tanto la composición de los componentes influye en esta propiedad.. Porcentaje de Elongación. 490 450 410 370 330 290 250 TPU75-CR25-P. TPU80-CR20-P Material. TPU90-CR10-P. Figura 3.9. Medias del porcentaje de elongación para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR. (Fuente: Propia). Existe una diferencia estadística significativa sólo para un grupo de las medias de los resultados del módulo de elasticidad; como se indica en la figura 3.10., teniendo así una homogeneidad entre TPU80-CR25/TPU75-CR25 y TPU80-CR20/TPU901-CR10, es decir no depende del contenido de PCR.. 30.

(44) Módulo de Elasticidad. 10,3. 9,3. 8,3. 7,3. 6,3 TPU75-CR25-P. TPU80-CR20-P Material. TPU90-CR10-P. Figura 3.10. Medias del módulo de elasticidad para diferentes composiciones con un mismo tamaño de PCR. (Fuente: Propia). Se dio el mismo tratamiento y análisis de datos para los otros dos tamaños de PCR, obteniéndose como resultado que la variación en la composición de la matriz (TPU) y el refuerzo (CR) afectan el porcentaje de elongación del material ya que existe una diferencia estadística significativa para las tres variaciones. Además se observa que a medida que aumenta el porcentaje de contenido de PCR, el material compuesto disminuye sus propiedades mecánicas (Gondra, Neira, 2001). Este comportamiento se asocia con una mala adhesión entre PCR y la matriz en interfase, una interfase inadecuada conduce a una alta tensión interfacial, forzando a las partículas CR a aglomerarse, provocando la formación de vacíos alrededor de CR (Ramarad, 2015).. 3.2.2. Ensayos de desgarre 3.2.2.1.. Influencia del tamaño de partícula. En la figura 3.11., se presentan los resultados de los ensayos de desgarre de todas las muestras analizadas. Se indica la carga máxima que soporta el material compuesto y la extensión máxima que sufren las probetas.. 31.

(45) Extensión Máxima [mm]. 250. a) 200 150 100 50. Carga Máxima de Desgarre [Kgf]. 0. b). 40 30 20. POLVO # 35 # 20 Puro. 10 0 TPU90-CR10. TPU80-CR20. TPU75-CR25. Composición. Figura 3.11. Resultados obtenidos del ensayo de desgarre a) Extensión Máxima b) Carga máxima de desgarre. (Fuente: Propia). El resultado del ANOVA, para la composición TPU80-CR20 con variación del tamaño de partícula se muestra en la figura 3.12., se observa que existe una diferencia estadística significativa entre los tres tamaños de PCR en la extensión máxima, por lo tanto el tamaño de PCR es una variable influyente en las propiedades del material compuesto.. Extensión Máxima [mm]. 158. 138. 118. 98. 78. 58 TPU80-CR20-20. TPU80-CR20-35 Material. TPU80-CR20-P. Figura 3.12. Medias de los resultados de extensión máxima obtenidas del ensayo de desgarre. (Fuente: Propia). 32.