Desarrollo de materiales compuestos basados en matrices termoplásticas LLDPE/PP y partículas de caucho reciclado devulcanizado

La técnica de irradiación con microondas permitió desvulcanizar con éxito las partículas de caucho. En este sentido, las partículas de caucho pueden dar buenos resultados como refuerzo al mejorar su integración con la matriz bifásica.

Introducción

La dependencia al plástico y la problemática creciente

La economía y el desarrollo sostenible como herramientas de cambio
Proyección de uso y fin de vida útil
El reciclaje y sus aportes para un ambiente sostenible

Reciclar y reutilizar productos resulta ser la metodología más conveniente cuando se trata del problema de la acumulación de residuos. Es una forma de reciclaje mecánico que requiere la clasificación de los residuos poliméricos, su reducción de tamaño y posterior extrusión y/o peletización.

La presencia del plástico en los desechos actuales

Los residuos sólidos urbanos
Las poliolefinas y su abundancia en los desechos plásticos
El reciclaje de poliolefinas y sus dificultades

El porcentaje relativo de tipos de polímeros presentes en los residuos plásticos urbanos según datos divulgados por el Instituto de Ingeniería Sanitaria (FIUBA) y la Asociación. Existe una clasificación numérica que enumera los diferentes polímeros que se pueden reciclar de cada uno de los procesos anteriores.

El caucho y los neumáticos, sus características, desechos y reciclaje

De lo natural a lo sintético
El uso del caucho en los neumáticos
Los neumáticos fuera de uso y los desechos asociados
El reciclaje del caucho y la obtención de GTR
Implementación del GTR como refuerzo en materiales compuestos

La Tabla 1.2 detalla los compuestos de construcción de neumáticos más comunes. La Tabla 1.3 muestra los tamaños de partículas GTR típicos utilizados en diversas aplicaciones.

Objetivos

Objetivos específicos del trabajo

Desarrollar e implementar la técnica de desvulcanización por microondas, diseñando y optimizando un sistema acoplado de un magnetrón convencional con sistema de agitación. Evaluar el efecto de diferentes solventes, variación del tiempo de residencia y velocidad de agitación en las muestras de caucho reciclado.

Materiales y técnicas

Materiales

Sin embargo, en trabajos previos se ha demostrado que los resultados encontrados en mezclas de poliolefinas vírgenes pueden extrapolarse a mezclas de poliolefinas recicladas [21]. El índice de flujo de fusión (MFI) se define como la masa de polímero fundido (en gramos) que fluye a través de un capilar de dimensiones especificadas y fijas para todos los polímeros.

Técnicas, procesamiento y ensayos

Devulcanización por microondas
Determinación de la potencia efectiva del microondas
Lavado con equipo Soxhlet
Ensayo de hinchamiento
Teoría de Horikx
Obtención de las mezclas ternarias
Obtención de las placas moldeadas por compresión
Caracterización térmica
Caracterización mecánica convencional
Caracterización a la fractura

La Figura 3.1 presenta los diferentes modelos diseñados para la preparación de la barra agitadora. Para medir la densidad de las partículas de caucho se siguió el procedimiento de la norma ASTM D792 [84]. Representa el porcentaje de la fracción soluble en función del porcentaje de desvulcanización del material.

La capacidad de almacenamiento en la cámara interior del mezclador es de 20 g de material. Modelos basados en los principios de la Mecánica de Fractura Plástica Elástica (EPFM) para materiales que no mantienen una relación lineal entre tensión y deformación y que son frágiles o desarrollan un nivel limitado de plasticidad en la punta de la muesca [93]. Modelos basados en la teoría de la mecánica de fractura posterior al rendimiento (PYFM) para materiales que exhiben alta ductilidad y ceden completamente antes de que comience la propagación de la grieta [93].

Resultados y discusiones

Devulcanización de GTR

Evaluación del cambio de temperatura de disolventes en condiciones de devulcanización por microondas. Las Figuras 4.3, 4.4 y 4.5 muestran los vasos que contienen las muestras de partículas GTR junto con sus solventes antes y después del proceso de desvulcanización por microondas. La Figura 4.9 muestra los valores de temperatura promedio para cada muestra antes y después del proceso de desvulcanización.

Se pudo comprobar que las partículas en el medio oleoso alcanzaron temperaturas máximas durante el proceso de desvulcanización por microondas (aproximadamente 130 ºC). Esto afectó las tasas de desvulcanización alcanzadas, obteniendo mejores resultados en el caso de partículas de GTR libres de solventes. Es importante señalar que la agitación continua durante el proceso de desvulcanización tuvo un efecto positivo.

Caracterización de las placas de material ternario LLDPE/PP/GTR

Caracterización térmica por DSC
Ensayo convencional de tracción
Tenacidad a la Fractura
Evaluación de la influencia de las variables de devulcanización de GTR

La Figura 4.13 muestra los valores de temperatura de fusión de las fases LLDPE y PP presentes en los materiales, obtenidos durante el primer calentamiento. Temperaturas de fusión de las fases PP y LLDPE presentes en los materiales ternarios LLDPE/PP/GTR obtenidos durante el primer calentamiento. Correlación entre el grado de cristalinidad de las fases LLDPE y PP en función del grado de desvulcanización de las partículas de GTR.

Para las partículas de GTR desvulcanizadas en agua, esta relación se invierte, favoreciendo al material con un menor grado de desvulcanización. Gráficas de los principales efectos de las propiedades evaluadas en el ensayo de tracción convencional (módulo de elasticidad aparente, límite elástico, esfuerzo último, deformación de falla y límite elástico por criterios de fluencia) y parte. Efecto de las variables de desvulcanización de GTR sobre las propiedades mecánicas de materiales ternarios.

Discusión de resultados

Sin embargo, la fase cristalina del PP para materiales con partículas de GTR desvulcanizadas en aire y en aceite aumentó al aumentar el porcentaje de desvulcanización. Del análisis de los resultados de tracción uniaxial, queda claro que la adición de partículas de GTR reduce las propiedades mecánicas en comparación con el material sin GTR. Sin embargo, se observó que cuando las partículas de GTR se desvulcanizan, el rendimiento del material ternario mejora en comparación con su contraparte de GTR no desvulcanizado.

En este sentido, se puede considerar una influencia conjunta de los factores de tiempo de residencia y el tipo de medio disolvente utilizado para conseguir las mejores propiedades mecánicas, siendo que una combinación adecuada de ambos es suficiente para la interacción de las partículas de GTR con la matriz de LLDPE/PP. , favoreciendo así al material en cuanto a prestaciones mecánicas. Esto cumplió con los objetivos buscados para refinar la matriz LLDPE/PP con partículas GTR. A su vez, el grado de desvulcanización alcanzado por los materiales afectó principalmente al nosotros, siendo que, para partículas de GTR expuestas en aceite y aire, cuando aumenta el grado de desvulcanización, este parámetro también aumenta;

Reproducibilidad económica

También se observó que en materiales con mayor cristalinidad que el PP, como los obtenidos con GTR expuesto a microondas en aceite, la resistencia a la propagación de grietas aumenta. Un efecto similar fue reportado en la bibliografía, en casos donde la adición de partículas elastoméricas promueve la disipación de energía en el material bajo tensiones favoreciendo la propagación de grietas [108-110].

Conclusiones

Trabajo a futuro

Evaluar nuevas metodologías de agitación que permitan un mejor calentamiento de partículas de GTR dentro de solventes de agua y aceite durante el proceso de desvulcanización por microondas. Elija nuevos medios solventes que aprovechen el calentamiento de partículas GTR y resulten respetuosos con el medio ambiente después de su uso. Seleccione nuevos tiempos de residencia de microondas, entre 30 y 180 segundos, para las partículas de GTR sin disolventes y evalúe la eficiencia de desvulcanización.

Evaluar y desarrollar nuevas metodologías para caracterizar el grado de desvulcanización de partículas de GTR tan pequeñas como µm). Modificar e implementar un método de procesamiento de materiales LLDPE/PP/GTR de tres componentes que permita una mejor homogeneidad del material, por ejemplo utilizando inyectores. Procese materiales ternarios utilizando LLDPE y PP a partir de materiales reciclados y compare los resultados aquí presentados con los que se obtendrían si realmente se utilizara el material previamente desechado.

Anexos

Devulcanización

La Tabla 6.2 muestra los valores obtenidos para determinar la densidad de muestras con partículas GTR. La Tabla 6.3 muestra los valores obtenidos de las mediciones de la prueba de hinchamiento de tolueno para caracterizar la desvulcanización de muestras de partículas de GTR.

Ensayo convencional de tracción

Curvas de tensiones de tracción uniaxiales en función de la tensión de corte en materiales ternarios LLDPE/PP/GTR obtenidos en disolvente acuoso. Curvas de esfuerzos de tracción uniaxiales en función del esfuerzo de corte en materiales ternarios LLDPE/PP/GTR obtenidos sin disolvente. Curvas de tensión de tracción uniaxial en función de la deformación por desplazamiento en material LLDPE/PP/GTR no desvulcanizado y sin partículas.

Caracterización a la fractura

La Figura 6.6 muestra los puntos de tensión máxima obtenidos para las muestras de material ACE30S junto con las líneas del rango de aceptación. Finalmente, con las muestras cuyos valores de tensión máxima cumplían con el requisito planteado, se realizó una gráfica con los valores de Trabajo Total de Fractura en función de la longitud del ligamento remanente. De esta manera, se realizó un ajuste lineal apropiado del modelo presentado en el Capítulo 3 para determinar los parámetros de fractura de interés.

La Figura 6.7 muestra los valores experimentales obtenidos para muestras de material ACE30S seleccionadas junto con el ajuste lineal realizado. En la Tabla 6.4 se muestran los valores experimentales obtenidos de las probetas de fractura de los materiales ternarios utilizados para los cálculos de los parámetros de interés.

Aplicación del Análisis ANOVA

Es decir, teniendo en cuenta la presencia de interacciones con el factor B, ver si los efectos de los niveles del factor A son cero. Es decir, teniendo en cuenta la presencia de interacciones con el factor A, comprobar si los efectos de los niveles del factor B son cero. Además de los valores proporcionados por las tablas ANOVA, se revisaron los principales efectos de los factores.

Si se observan pendientes pronunciadas de las curvas, se puede estimar que los factores tienen efectos significativos en la respuesta. La Tabla 6.6 enumera los valores calculados para el análisis ANOVA de las propiedades mecánicas evaluadas. Gráficas de residuos y diagrama de Pareto de efectos estandarizados de suplementación en el análisis ANOVA del límite elástico.

Fichas Técnicas del LLDPE y PP

Bibliografía

Consultado el 24 de abril de 2022 en: https://www.martins-rubber.co.uk/blog/what-is-vulcanised-rubber-used-for/. En línea] Consultado el 24 de abril de 2022 en: https://www.gmtrubber.com/natural-vs-synthetic-rubber/. Desvulcanización de caucho de estireno butadieno mediante energía de microondas: efecto de la presencia de líquido iónico.

Standard Test Method for Determining Percent Devulcanization of Crumb Rubber Based on Crosslink Density. Full factorial experimental design to study the devulcanization of ground rubber in supercritical carbon dioxide. Friction and wear behavior of styrene butadiene rubber-based composites reinforced with microwave-devulcanized ground rubber.