ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL · Módulo de elasticidad b) Esfuerzo de tracción en el punto de...

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

i

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

ii

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

iii

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.

iv

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!!!!

v

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. Reciclaje del caucho ....................................................................................... 6

1.2.1. 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

vi

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. Ensayos para Caracterización Mecánica........................................................24

3.2.1. 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



3.2.3. Ensayos de abrasión .........................................................................................35



3.2.4. Ensayos de dureza ............................................................................................38


vii


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

viii

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

ix

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


Figura 3.6. Medias de los resultados del módulo de elasticidad para la composición


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


Figura 3.10. Medias del módulo de elasticidad para diferentes composiciones con un


Figura 3.11. Resultados obtenidos del ensayo de desgarre a) Extensión Máxima b) Carga

máxima de desgarre ........................................................................................................32

x

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

xi

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.

xii

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, water

permeability, and hydrocarbons solubility were not affected.

Keywords: recycled rubber, composite material, polyurethane, properties.

1

“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.

2

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.

3

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.

4

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)

5

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)

6

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.

7

· 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

8

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.

9

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 Desventajas

Termólisis

- El material no es quemado directamente.

- Se obtiene una recuperación total de los componentes del neumático.

- El neumático primero debe ser sometido a una trituración mecánica.

- Es necesario una infraestructura de gran capacidad.

Pirolisis - 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.

Incineración - Produce calor, el cual es usado

para la generación de energía.

- Tiene un alto costo, difícil de controlar y produce una alta contaminación.

Trituración criogénica

- 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.

Trituración mecánica

- Productos de alta calidad y sin impurezas.

- Amigable con el medio ambiente

- Exige un mantenimiento constante en varias partes de la maquinaria.

(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).

10

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.

11

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

12

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.

13

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

Factor

Porcentaje en peso de caucho y

poliuretano.

90-10%

80-20%

75-25%

Tamaño de partícula de caucho

reciclado.

177 μm

500 μm

840 μm

Variables respuesta

Ensayos mecánicos (tracción, desgarre, abrasión y

dureza), ensayo de permeabilidad al agua y

resistencia a hidrocarburos.

Nivel de significación 0,05

Número de repeticiones 1

Número total de observaciones 250

Hipótesis Nula H0

El tamaño de partícula y la cantidad de CR no

influye en las propiedades mecánicas y térmicas.

Hipótesis Alternativa H1

El tamaño de partícula y la cantidad de CR si influye

en las propiedades mecánicas y térmicas.

(Fuente: Propia)

14

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.

15

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.

16

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)

17

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.

Material wt% de

poliuretano

wt% de polvo de

caucho

Tamaño de

partícula (μm)

TPU 100 0 -

TPU90-CR10-P 90 10 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

(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.

18

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)

19

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)

20

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 1 A

TPU80-CR20-P 2 A

TPU75-CR25-P 3 A

TPU90-CR10-35 1 B

TPU80-CR20-35 2 B

TPU75-CR25-35 3 B

TPU90-CR10-20 1 C

TPU80-CR20-20 2 C

TPU75-CR25-20 3 C

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)

21

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.

22

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.

23

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

No.

TYLER

MESH

Apertura del

mallado

(mm)

Masa

retenida

muestra 1

(g)

Masa

retenida

muestra 1

(%)

Masa

retenida

muestra 2

(g)

Masa

retenida

muestra 2

(%)

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

FONDO 2,7137 2,64 1,7132 1,66

(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.

24

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.

25

0

2

4

6

8

10

c)

b)

Mó

du

lo d

e e

last

icid

ad

[MP

a]

a)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Esf

ue

rzo

de

tra

cció

n e

n e

l p

un

to d

e fl

ue

nci

a [M

Pa

]

TPU90-CR10 TPU80-CR20 TPU75-CR250

200

400

600

800

1000

1200

1400

Po

rce

nta

je d

e e

lon

ga

ción

en

el p

un

to d

e fl

ue

nci

a [%

]

Composición

POLVO # 35 # 20 Puro

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.

26

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/TPU80-

CR20-P.

27

Figura 3.4. Medias de los resultados de la resistencia a la tracción para la composición TPU80-

CR20 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.

Figura 3.5. Medias de los resultados del porcentaje de elongación para la composición TPU80-

CR20 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.

TPU80-CR20-20 TPU80-CR20-35 TPU80-CR20-PMaterial

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

Re

sis

ten

cia

a la

Tra

cc

ión

[M

Pa

]


230

330

430

530

630

Po

rce

nta

je d

e E

lon

ga

ció

n [

%]

28

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).


4,1

5,1

6,1

7,1

8,1

9,1

10,1

Mó

du

lo d

e E

las

tic

ida

d [

MP

a]

29

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.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

b)

c)

Esf

ue

rzo

de

tra

cció

ne

n e

l pu

nto

de

flue

nci

a [M

Pa

] a)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Porc

enta

je d

e e

longaci

ón

en e

l pun

to d

e flu

enci

a [%

]

Polvo # 35 # 200

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Módulo

de e

last

icid

ad[M

Pa]

Tamaño de PCR

TPU90-CR10 TPU80-CR20 TPU75-CR25 Puro

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.

30

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.

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.

TPU75-CR25-P TPU80-CR20-P TPU90-CR10-PMaterial

3,1

3,5

3,9

4,3

4,7

5,1

5,5

Esf

uer

zo d

e T

racc

ión


250

290

330

370

410

450

490

Po

rcen

taje

de

Elo

ng

ació

n

31

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


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.


6,3

7,3

8,3

9,3

10,3

Mó

du

lo d

e E

last

icid

ad

32

0

50

100

150

200

250

b)

Ext

ens

ión M

áxim

a [m

m]


a)


10

20

30

40

Carg

a M

áxi

ma d

e D

esg

arr

e [

Kgf]

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.

Figura 3.12. Medias de los resultados de extensión máxima obtenidas del ensayo de desgarre. (Fuente: Propia)


58

78

98

118

138

158

Ext

ensi

ón

Máx

ima

[mm

]

33

El análisis ANOVA para la carga máxima se presenta en la figura 3.13., se observa que

existe una diferencia estadística significativa del PCR-20 en comparación con los otros

dos, es decir se encuentra una homogeneidad entre el tamaño de PCR-P y PCR-35.

Figura 3.13. Medias de los resultados de carga máxima obtenidos del ensayo de desgarre. (Fuente: Propia)

Se realizó el mismo procedimiento para analizar las dos composiciones restantes; para

los resultados de extensión máxima se determinó que existe homogeneidad en el tamaño

PCR-20/PCR-35 y PCR-20/PCR-P para las composiciones TPU90-CR10 y TPU75-CR25,

respectivamente. Para los resultados de carga máxima se determinó que existe una

diferencia estadística significativa entre los tres grupos de las dos composiciones, es

decir para las composiciones TPU90-CR10 y TPU75-CR25 el tamaño de PCR es una

variable influyente.

Los resultados obtenidos en el análisis estadístico, indican un comportamiento similar del

material en el ensayo de desgarre y el de tracción, esto ocurre por la influencia del

tamaño del material de refuerzo (caucho) en mezclas con termoplásticos, como ya se

mencionó anteriormente.


En la figura 3.14., se muestran los resultados del ensayo de desgarre para cada tamaño

de PCR variando el porcentaje en peso del TPU y PCR.


10

12

14

16

18

20C

arg

a d

e d

esg

arre

Máx

imo

[K

gf]

34

0

50

100

150

200

250

b)

Ext

ensi

ón M

áxi

ma [

mm

]


a)

Polvo # 35 # 200

5

10

15

20

25

30

35

40

Carg

a d

e d

esg

arr

e m

áxi

ma [

Kgf]

Tamaño de PCR

Figura 3.14. Resultados del ensayo de desgarre para un mismo tamaño de PCR a) Extensión máxima b) Carga de desgarre máxima.

(Fuente: Propia)

Existe una diferencia estadística significativa entre los tres grupos de composiciones de

material, indicando que la composición es una variable que afecta en las propiedades del

material; en este caso la extensión. En la figura 3.15., se presenta las medias de los

resultados de extensión máxima obtenidos.

Figura 3.15. Medias de los resultados de extensión máxima para un mismo PCR y diferente composición.

(Fuente: Propia)

TPU75-CR25-35 TPU80-CR20-35 TPU90-CR10-35Material

80

100

120

140

160

180

200

Ext

ensi

ón

Máx

ima

[mm

]

35

Las medias de los resultados de carga máxima se muestran en la figura 3.16., indica que

existe una homogeneidad entre la composición TPU75-CR25 y TPU80-CR20, es decir el

porcentaje de CR en cada composición no afecta estadísticamente a los resultados de la

carga máxima del material compuesto.

Figura 3.16. Medias de los resultados de cargar máxima para un mismo tamaño de PCR y diferente composición.

(Fuente: Propia)

Para los tamaños de PCR-P y PCR-20 se realizó el mismo análisis y tratamiento de

datos, obteniéndose resultados similares; existen diferencia estadística significativa en los

tres grupos para extensión máxima y existe homogeneidad entre dos grupos para el caso

de carga máxima.

En todos los ensayos de concentración 25 % de PCR de la misma granulometría,

reducen los valores de extensión y carga máxima, por lo tanto mientras mayor es el

porcentaje en peso del refuerzo en una matriz termoplástica (TPU), las propiedades de

desgarre disminuyen (Pizzatto, 2009).

3.2.3. Ensayos de abrasión


En la figura 3.17., se muestran los resultados del ensayo de abrasión para la misma

composición y diferente tamaño de PCR. Los resultados se expresan en función del

volumen perdido en cada material.


12

15

18

21

24

27

Car

ga

Máx

ima

[Kg

f]

36


20

40

60

80

100

120

140

160

Abra

sión [m

m3]

Composición


Figura 3.17. Resultados del ensayo de abrasión para mismas composiciones con variación de

PCR. (Fuente: Propia)

El análisis ANOVA realizado, determinó que existe una diferencia estadística significativa

entre los grupos analizados. En la composición TPU80-CR20 el tamaño de PCR es

influyente en las propiedades de abrasión. Los resultados se presentan en la figura 3.18.

Figura 3.18. Medias de los resultados del ensayo de abrasión para una misma composición con variación de PCR.

(Fuente: Propia)

Para las composiciones TPU90-CR10 el análisis ANOVA señaló que no existe diferencia

significativa entre los tres grupos, en este caso el tamaño de PCR no afecta la abrasión.


50

70

90

110

130

150

170

Ab

rasi

ón

[m

m3]

37

Para la composición TPU75-CR25, estadísticamente sólo los tamaños de PCR-P y PCR-

20 tienen un comportamiento similar.


Los resultados de volumen perdido en el ensayo de abrasión para el mismo tamaño de

PCR para las diferentes composiciones se presentan en la figura 3.19.

Polvo # 35 # 200

20

40

60

80

100

120

140

160

Abra

sión [m

m3]

Tamaño de PCR


Figura 3.19. Resultados del ensayo de abrasión para un mismo tamaño de PCR con variación de composición.

(Fuente: Propia)

El análisis ANOVA se realizó para el tamaño de PCR-35, se determinó que existe un

comportamiento estadístico similar entre las composiciones TPU80-CR20 y TPU90-

CR10. Para el PCR-P se determinó una diferencia estadística significativa de la

composición TPU90-CR10 con las otras dos composiciones y para el tamaño de PCR-20

el análisis ANOVA señaló que existe una diferencia estadística significativa entre las

composiciones, por lo tanto la cantidad de CR influye en el desgaste del material

compuesto. El TPU puro posee buena resistencia a la abrasión (Gomex Termoplásticos),

mientras menor sea la concentración de CR en la matriz más cercanas serán las

propiedades al material puro y si la cantidad de material refuerzo aumenta, las

38

propiedades del material serán intermedias dependiendo de la fracción molar de cada

componente de la mezcla (Quesada, 2005).

Los resultados se muestran en la figura 3.20.

Figura 3.20. Medias de los resultados del ensayo de abrasión para un mismo tamaño de PCR con variación de composición.

(Fuente: Propia)

3.2.4. Ensayos de dureza


En la figura 3.21., se presenta los datos obtenidos del ensayo de dureza (Shore A) para

los materiales compuestos formulados, en todos los casos se observa un incremento de

dureza del material compuesto en comparación con el TPU.


57

67

77

87

97

107

117

Ab

rasió

n [

mm

3]

39


10

20

30

40

50

60

70

80

Dure

za [S

hore

A]

Composición


Figura 3.21. Resultados del ensayo de dureza para las diferentes composiciones con variación de PCR.

(Fuente: Propia)

El análisis ANOVA que se presenta en la figura 3.22., es para la composición TPU80-

CR20, se determinó que existe una diferencia estadística significativa entre los tres

grupos. Para las dos composiciones restantes se obtuvo un comportamiento similar,

determinándose que el tamaño de PCR es influyente en la dureza del material.

Figura 3.22. Medias de los resultados del ensayo de dureza para una misma composición con variación de tamaño de PCR.

(Fuente: Propia)


69

71

73

75

77

Du

reza

[S

ho

re A

]

40

Esto se produce debido a que las partículas de menor tamaño se adhieren mejor a la

matriz por su alta rugosidad superficial específica y por el menor tamaño de sus poros y

grietas. Por otro lado, las partículas grandes conducen a un aumento de fallas y grietas

en la matriz, disminuyendo la adhesión interfacial, afectando así a la dureza del material

(Mujal, 2011).


En la figura 3.23., se presenta los resultados de dureza para el mismo tamaño de PCR

con variación en la composición.

Polvo # 35 # 200

10

20

30

40

50

60

70

80

Dure

za [S

hore

A]

Tamaño de PCR


Figura 3.23. Resultados del ensayo de dureza para un mismo tamaño de PCR variando la

composición. (Fuente: Propia)

El análisis ANOVA presentado en la figura 3.24., determinó que existe una diferencia

estadística significativa entre todos los grupos, además se presentó el mismo

comportamiento para los tres tamaños de PCR, entonces la variación en la composición

influye en la dureza del material. Al aumentar el contenido de PCR incrementa la dureza

de los materiales compuestos en comparación con el TPU puro, debido a que existe una

mayor densidad de reticulación al aumentar la cantidad de CR. Además, la presencia de

negro humo (componente del caucho utilizado en neumáticos) favorece la dureza del

material debido a que actúa como relleno del refuerzo (Ramarad, 2015).

41

Figura 3.24. Medias de los resultados del ensayo de dureza para un mismo tamaño de PCR

variando la composición. (Fuente: Propia)

3.2.5. Permeabilidad al agua

En la figura 3.25., se presenta los resultados obtenidos en el ensayo de permeabilidad,

que se representan como la masa de agua absorbida por el material compuesto.

TPU90-CR10 TPU80-CR20 TPU75-CR250,0

5,0x10-4

1,0x10-3

1,5x10-3

2,0x10-3

2,5x10-3

3,0x10-3

Perm

eabili

dad a

l agua [gr]

Composición

Polvo # 35 # 20 Puro

Figura 3.25. Resultados del ensayo de permeabilidad al agua del material compuesto.

(Fuente: Propia)

A medida que aumenta el contenido de caucho, el material absorbe más cantidad de

agua. La cantidad de agua absorbida está estrechamente relacionada con el contenido

de matriz polimérica, una menor cantidad de polímero en el material compuesto provoca


67

69

71

73

75

77

Du

reza

[S

ho

re A

]

42

la absorción de agua debido al aumento de los vacíos en el material (Plesuma, Malers,

2016). Además, en todos los casos se observa que el material compuesto que contiene el

PCR más pequeño es el que absorbe mayor cantidad de agua.

3.2.6. Solubilidad en hidrocarburos

En la figura 3.26., se presenta los resultados obtenidos del ensayo de solubilidad en

hidrocarburos. Indica que mientras mayor concentración de caucho tiene el material

compuesto existe mayor pérdida de masa. Además, se observó un desprendimiento de

partículas de caucho y un deterioro del material.

TPU90-CR10 TPU80-CR20 TPU75-CR250,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

Solu

bili

dad

en h

idro

carb

uros

[gr

]

Composición

Polvo # 35 # 20 Puro

Figura 3.26. Resultados del ensayo de solubilidad en hidrocarburos del material compuesto. (Fuente: Propia)

3.2.7. Ensayo termogravimétrico (TGA)

En la figura 3.27., se presentan las curvas resultantes del análisis termogravimétrico para

las composiciones P, 1B, 3B y 3C. Se realizó TGA en estas composiciones para

comparar la diferencia existente entre las mejores y peores composiciones del material.

43

Figura 3.27. Curvas de TGA resultantes. (Fuente: Propia)

Se observa que las composiciones analizadas tienen una estabilidad similar a la del TPU

puro, la pérdida de masa del 10 % se da a una temperatura de 278,43; 279,81; 281,68 y

278,91 °C para P, 1B, 3B y 3C, respectivamente. La temperatura de degradación del

material compuesto en comparación con el material puro se redujo de 381,84 °C a una

temperatura promedio de 365,33 °C, a medida que aumenta la cantidad de caucho la

temperatura de degradación disminuye, debido a los componentes presentes en el CR. El

porcentaje de residuo obtenido es de 3,465; 8,731; 12,74 y 13,07 % para P, 1B, 3B y 3C

respectivamente. Cuando incrementa la concentración de PCR en el material existe

mayor cantidad de residuos, debido a la presencia de negro humo en el caucho reciclado

(Piszczyk, 2014).

3.2.8. Microscopia electrónica de barrido (SEM)

Las imágenes SEM de las superficies de fractura de varios materiales compuestos se

muestran en la tabla 3.5. En la figura a) se presenta el material TPU90-CR10-P, no se

puede distinguir claramente los componentes debido a que los PCR-P están distribuidas

en toda la matriz, sin embargo se observa que algunos PCR se extraen fácilmente de la

matriz, es decir la adhesión es pobre, los resultados concuerdan con las propiedades

mecánicas discutidas previamente. En la figura b) se muestra el material TPU80-CR20-P

44

se puede identificar con más claridad el TPU, el CR y la interfaz, no existen una buena

adhesión de PCR en la matriz y la fractura se produjo en la interfaz provocando la

presencia de orificios como se observa (Colom, 2006).

El TPU80-CR20-35 se presenta en la figura c), se observa claramente la presencia del

TPU, PCR y la interfaz. Se observa la presencia de superficies planas, y a su vez una

superficie delaminada y estirada, debido a que el PCR tuvo una buena adhesión a la

matriz (Colom, 2006). La figura d) presenta el compuesto TPU75-CR25-35, no se puede

identificar claramente los componentes debido a la cantidad de PCR y a su respectiva

distribución, sin embargo se observa una superficie porosa y la presencia de orificios

formando una mala adhesión.

En la figura e) se puede diferenciar con más determinación el PCR, TPU e interfaz debido

a que el material tiene la presencia de las partículas más grandes y una concentración de

10 % de CR, se observa como la matriz envuelve al refuerzo, generando la interfaz, sin

embargo no existe una buena distribución del refuerzo en la matriz por el tamaño de

partícula que se usó, por lo cual existe un desprendimiento de PCR. La figura f) presenta

el material TPU75-CR25-20, no se distinguen los componentes debido a la cantidad y el

tamaño de PCR utilizados, se observa la presencia de grietas, por lo cual presenta una

mala adhesión generando que la fractura se haya producido a través de la interfaz.

Tabla 3.5. Micrografías SEM del material compuesto.

a) TPU90-CR10-P b) TPU80-CR20-P

45

c) TPU80-CR20-35 d) TPU75-CR25-35

e) TPU90-CR10-20 f) TPU75-CR25-20

(Fuente: Propia)

3.2.9. Posibles aplicaciones del material compuesto obtenido

Analizando los resultados de las propiedades mecánicas del material compuesto con

matriz de TPU reforzado con PCR, se determinó que se puede utilizar en diferentes

aplicaciones industriales.

46

3.2.9.1. Suelas de zapato

La industria considera que un buen compuesto de suela de zapato debe tener las

propiedades mostradas en la tabla 3.6. De tal manera, los materiales compuestos:

TPU90-CR10-35 Y TPU80-CR-20-35 cumplen con las propiedades idóneas para ser

usados en la fabricación de suelas de zapatos.

Tabla 3.6. Propiedades óptimas para suelas de zapato comparadas con los materiales formulados.

Propiedad Valor óptimo

INEN 2953, 2017

TPU90-CR10-35 TPU80-CR20-35

Porcentaje de alargamiento [%] ≥ 300 730,00 587,00

Resistencia al desgarro [N/mm] ≥ 8 54,87 44,77

Resistencia a la tracción [MPa] ≥ 4 7,41 4,92

Resistencia a la abrasión [mm3] ≤ 200 60,94 65,51

(Fuente: INEN 2953, 2017, fuente propia)

3.2.9.2. Pisos para diferentes usos

Se usa caucho para fabricar pisos ya que garantiza el antideslizamiento, el

amortiguamiento, protección entre otras. En la tabla 3.7., se muestran las

especificaciones que se debe cumplir. Para estas condiciones se puede observar que

todos los materiales compuestos obtenidos cumplen con las condiciones, además de

presentar alta permeabilidad y resistencia a agentes químicos. Sin embargo, para este

caso se puede usar el material TPU80-CR20-35 ya que es el material que mejor adhesión

presentó.

Tabla 3.7. Propiedades de pisos de caucho comparadas con el material formulado.

Propiedad Valor Basesport TPU80-CR20-35

Dureza [Shore A] ≥ 60 70

Resistencia al desgarro [N/mm] ≥ 14 44,77

Elongación [%] ≥ 145 587

Resistencia a la tensión [MPa] ≥ 1,52 4,92

Flexibilidad Flexible Flexible

(Fuente: Basesport, fuente propia)

47

3.2.9.3. Uso en tejas

El material compuesto resultante se puede usar para la fabricación de tejas ya que el

material es impermeable y tiene una alta resistencia a agentes químicos. En la tabla 3.8.,

se puede observar las características de una teja de cerámica y de caucho.

Tabla 3.8. Comparación entre una teja de cerámica y caucho.

Propiedad Teja cerámica Teja de caucho

Impermeabilidad Bueno Excelente

Durabilidad Bueno Excelente

Resistencia a la rotura Malo Excelente

Aislamiento al ruido Bueno Excelente

Estética Bueno Bueno

Ecológica Bueno Bueno

Aislamiento térmico Bueno Malo

(Fuente: Criollo, 2014)

De acuerdo con las propiedades mencionadas anteriormente; el material compuesto

resultante de la investigación cumple con impermeabilidad, durabilidad, resistencia a la

rotura, aislamiento al ruido, estética y a su vez es ecológico por la incorporación de

caucho reciclado. Se recomienda usar TPU80-CR20-35 por su correcta adhesión.

48

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. Conclusiones

· La resistencia a la tracción, elongación y resistencia al desgarre son afectadas

negativamente conforme se incrementa el contenido de caucho reciclado, debido

a una mala adhesión entre el PCR y la matriz, provocando una interfaz

inadecuada.

· La incorporación de partículas de caucho como refuerzo en el material compuesto

proporciona un aumento en los valores del módulo de elasticidad y la dureza en

comparación con el poliuretano puro.

· La granulometría del caucho que le proporciona buenas propiedades físicas y

mecánicas al material compuesto es la de 500 μm, debido a que presenta una

buena adhesión a la matriz.

· La relación caucho-poliuretano que proporcionará las mejores propiedades físicas

y mecánicas al material compuesto es la composición 80-20, concentraciones

superiores disminuyen las propiedades mecánicas.

· Todas las combinaciones obtenidas cumplen con la norma establecida para

abrasión, sin embargo a medida que se aumenta el contenido de caucho reciclado

se reduce la resistencia a la abrasión en especial para los tamaños PCR-P y

PCR-20, notándose que la mejor resistencia a la abrasión la presenta la

composición 80-20 con un tamaño de partícula de 500 μm.

· El material compuesto tiene una buena permeabilidad al agua (cantidad máxima

absorbida de agua 2,6x10-3 g.) y baja solubilidad a hidrocarburos (cantidad

máxima desgastada del material 7,49x10-2 g.). Sin embargo a medida que se

aumenta la cantidad de PCR y se disminuye el tamaño de partícula de CR, estas

propiedades van disminuyendo. Para el caso de partículas grandes en el ensayo

de solubilidad, estas se desprenden de la matriz, concluyendo que no existe una

buena adhesión en la matriz.

49

· Las imágenes SEM permitieron determinar si se produjo una buena adhesión del

refuerzo en la matriz, dando como resultado que el material compuesto que

obtuvo mejor adhesión es TPU80-CR20-35 ya que no presenta grietas ni orificios.

· El material compuesto que presenta mejor adhesión es TPU80-CR20-35.

Además, presenta propiedades físicas y mecánicas óptimas para ser usado en las

aplicaciones investigadas

· Si se requiere que el material compuesto, por el uso que se le vaya a dar, tenga

propiedades similares al de la matriz la composición 90-10 es la mejor opción,

debido a que al añadir caucho reciclado disminuye el consumo de TPU virgen y

de pigmento negro, que son característicos del CR; esto se verá reflejado en la

reducción de costos de producción del producto terminado.

4.2. Recomendaciones

· Realizar un tratamiento (desvulcanización, tratamiento con sustancias químicas,

adición de compatibilizantes, etc) a las partículas de caucho, para determinar su

influencia en la adhesión en la matriz.

· Formular materiales compuestos en los que la matriz también sea un material

reciclado y determinar cómo cambian las propiedades mecánicas respecto al uso

de materiales puros.

· Considerar las pérdidas que se tienen de los materiales en el proceso de

extrusión para definir la concentración real de la matriz y el refuerzo.

· Utilizar otro procesamiento del material, como por ejemplo un proceso de

compresión, para así determinar la influencia del procesamiento en las

propiedades del material resultante.

· Realizar ensayos para determinar si el material obtenido es un buen aislante

acústico y térmico.

50

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Washington D.C., 1986.

[2] X. Castells, “Reciclaje y tratamiento de residuos diversos”. Albasanz. Madrid. 2012.

[3] G. Castro, “Reutilización, reciclado y disposición final de neumáticos.”, Departamento

de Ingeniería Mecánica, F.I.U.B.A., 2007.

[4] X. Colom, J. Cañavete, F. Carillo, “Structural and mechanical studies on modified

reused tyres composites.” European Polymer Journal, 2006.

[5] A. Criollo, “Caracterización de caucho reciclado proveniente de scrap y de neumáticos

fuera de uso para su potencial aplicación como materia prima.” Ingeniería Mecánica,

Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca, Jun. 2014.

[6] J. Daganzo, (2011, Jun.). ¡Cáucholis, cómo me gusta este material!”. [En línea].

Available: http://blogs.repsol.com/innovacion/caucholis-como-me-gusta-este-material/

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http://www.ambiente.gob.ec/1-500-000-unidades-de-neumaticos-fuera-de-uso-se-

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[8] J. Fernández, “Análisis del proceso de adhesión en el sistema caucho sintético-

adhesivo de poliuretano”, Universidad de Alicante, Alicante, 1991.

[9] K. Gondra, S. Neira, “Productos plásticos a partir de triturado de caucho.”, Gaiker, Jun.

2001.

[10] Gomex Termoplásticos, (s.f.) Poliuretano termoplástico para la inyección de plásticos

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[11] Good Year, (s.f). El Caucho. [En línea]. Available:

http://www.goodyear.cl/comp_info/did_you_know/natural_rubber.html

51

[12] C. Jiménez, (2017, Feb.). Usos del caucho natural y sintético en el sector industrial.

CADELI. [En línea]. Available: https://es.linkedin.com/pulse/usos-del-caucho-natural-y-

sint%C3%A9tico-en-el-sector-cruz-jimenez

[13] I. Katime, “Los materiales inteligentes de este milenio, los hidrogeles

macromoleculares: síntesis, propiedades y aplicaciones.”, Universidad del país Vasco,

Bilbao, España, 2004.

[14] L. Piszczyk, A. Hejna, K. Formela, “Effect of groud tire rubber on estructural,

mechanical and termal properties of flexible polyurethane foams”, Deparment of Polymer

Technology, Gdansk University of Technology, Poland, Dic. 2014.

[15] C. Miroslav, J. Jancar, “Composites based on polyurethane-urea and ground rubber

from car tyres: relation between structure and properties”, Slovak Academy of Sciences,

Institute of Chemistry, Oct. 2016.

[16] R. Mujal, J. Orrit, “Study on dielectric, thermal, and mechanical properties of the

ethylene vinyl acetate reinforced with ground tire rubber”, Journal of Reinforced Plastics

and Composites, 2011.

[17] G. Peláez, S. Velásquez, D. Giraldo, “Aplicaciones de caucho reciclado: Una

revisión de la literatura”, Ciencia en ingeniería Neogranadina, Feb. 2017.

[18] L. Pizzatto, “Desenvolvimento e caracterizacao de compósitos de elastómero

termoplástico de poliuretano (TPU) com argila", Universidade de Caxias Do Sul, Caxias

Do Sul, Jun. 2009.

[19] R. Plesuma, L. Malers, “Functional properties of composite material from recycled

tires and polyurethane binder in water medium. Institute of Polymer Materials”, Riga

Technical University, Latvia, 2016.

[20] K. Quesada, P. Alvarado, “Utilización de las fibras del rastrojo de piña como

material de refuerzo en resinas de poliéster”, Revista Iberoamericana de Polímeros, Jun.

2015.

52

[21] J. Quintero, J. Suárez, “Obtención de un material compuesto a partir de gránulos de

caucho reciclado y aceite de higuerilla modificado”, Escuela de Ingeniería Química,

Universidad de Santander, Bucaramanga, 2009.

[22] S. Ramarad, M. Khalid, C. Ratnam, “Waste tire rubber in polymer blends: A review

on the evolution, properties and future”, Progress in Materials Science, Mar. 2015.

[23] R. Sánchez, R., “Segunda vida de los neumáticos usados”, Química Viva, Red de

Revistas Científicas de América Latina y El Caribe, España y Portugal, Feb. 2012.

[24] R.B. Seymour, “Polymer Chemistry, An Introduction”, Marcel Dekker Inc., New York,

1995.

53

ANEXOS

ANEXO I

FICHA TÉCNICA DEL POLIURETANO

55

ANEXO II

RESULTADOS ENSAYOS DE TRACCIÓN

1A: TPU90-CR10-P

2A: TPU80-CR20-P

56

3A: TPU75-CR25-P

1B: TPU90-CR10-35

57

2B: TPU80-CR20-35

3B: TPU75-CR25-35

58

1C: TPU90-CR10-20

2C: TPU80-CR20-20

59

3C: TPU75-CR27-20

TPU PURO

60

ANEXO III

RESULTADOS ENSAYOS DE DESGARRE

80

ANEXO IV

Curvas resultantes del análisis termogravimétrico

TPU PURO

81

1B: TPU90-CR10-35

82

3B: TPU75-CR25-35

83

3C: TPU75-CR25-20

84

COMPARACIONES ENTRE MUESTRAS

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