Comportamiento fisicoquímico de compuestos de caucho natural al adicionar residuos agroindustriales como cargas reforzantes

Review- Physicochemical behaviour of natural rubber composites when adding agroindustrial wastes as reinforcing fillers.

Revisão - Comportamento físico-químico de compostos de borracha natural aos resíduos aditivos agroindustrial como enchimentos de reforço.

Los residuos industriales y agroindustriales están ocasionando un problema ambiental evidente en Colombia y a nivel mundial, debido a la gran cantidad producida, la cual no tiene una disposición final adecuada, siendo una gran fuente de contaminación. En particular un estudio hecho por la cámara de comercio de la India indica que entre el 60 y 70 % de los desechos agroindustriales son descargados al ambiente sin ningún tipo de tratamiento y solo el restante se emplea para la digestión anaeróbica en regiones como África, Europa del este, América latina y Asia (excepto Japón) (Eastern Research Group et al. 2009).

La tabla 1 muestra datos estadísticos del gran volumen de desechos agroindustriales producidos en diferentes países del mundo (Maiti et al. 2016a), que evidencia la gran problemática mundial relativa al manejo de estos. Los costos tan altos que ocasionan a la industria la disposición de este tipo de materiales, ha hecho que se realicen muchas investigaciones en busca de mitigar el impacto y aumentar el aprovechamiento de estos en aplicaciones para la producción de bioetanol (RosaDomínguez-Bocanegra et al. 2015), butanol (Maiti et al. 2016b), digestión anaeróbica (Zahan et al. 2017), carbonización hidrotérmica (Verónica Benavente et al. 2015), pirólisis (Fernandez et al. 2016), entre otras.

Se busca entonces poder disponer tanto de los residuos que generan alto volumen y por ende mayor dificultad de disposición y los que generan poco volumen, pero generan un alto impacto ambiental. A pesar de las aplicaciones que se han implementado en los últimos años para reutilizar estos residuos, la gran cantidad de estos motiva su uso en otras aplicaciones, donde su función como cargas de refuerzo en materiales compuestos en matrices poliméricas ha comenzado a implementarse.(Santos et al. 2017).(Yeşilay et al. 2017)(Serrano Guzmán & Ruiz 2011)(Ferreira-Leitao et al. n.d.).

1
Tabla 1

Datos estadísticos sobre la producción de desechos agroindustriales en diferentes partes del mundo.

1 Datos estadísticos sobre la producción de desechos agroindustriales en diferentes partes del mundo.

De acuerdo con lo anterior, se ha encontrado que los residuos posindustriales, tratados o no tratados, son utilizados como refuerzos al ser adicionados en matrices de caucho, específicamente en el caucho natural; por lo tanto, han sido objeto de investigaciones durante las últimas décadas. La mayoría de las industrias del sector cauchero utilizan principalmente dos tipos de cargas comerciales, las cuales son el negro de humo y la sílice (Posada-correa et al. 2014; Patnaik & Brown 2010; Pongdong et al. 2015; Ahmed, Nizami & Raza 2013; Kaewasakul 2013b), la primera carga utilizada para la fabricación de artículos en tonalidades oscuras y la segunda en artículos blancos o de colores; sin embargo, se busca la sustitución de estas cargas comerciales por residuos obtenidos en los diferentes procesos agroindustriales que generan en muchos casos impactos ambientales negativos, logrando de esta manera la incorporación de nuevas cargas de residuos industriales y agroindustriales al caucho natural obteniendo mejoras en su rendimiento tecnológico y comportamiento fisicomecánico.

Las figuras 1 y 2 muestran un consolidado del número de investigaciones realizadas en los últimos 27 años para algunas de las cargas alternativas obtenidas a partir de desechos industriales y para las cargas comerciales más utilizadas respectivamente. Se observa que, si bien los desarrollos e investigaciones en caucho natural reforzados con negro de humo y sílice son superiores con respecto a los refuerzos a partir de residuos industriales, se observa un crecimiento en investigaciones con estos últimos.

1
Figura 1

Número de investigaciones relacionadas con el uso de residuos como cargas en caucho natural (Scopus).

2
Figura 2

Número de investigaciones relacionadas con el uso de cargas comerciales en caucho natural (Scopus).

El propósito del presente trabajo es presentar una recopilación y análisis de los diferentes residuos agrodindustriales empleados como refuerzos para compuestos de caucho natural. En este sentido, para cada residuo se discrimina su composición, método de obtención y el tratamiento que requieren previo a su incorporación en la matriz de caucho natural. Posteriormente, se establecen los diferentes procesos de incorporación de estos refuerzos en el caucho natural y finalmente, se realiza un análisis comparativo de propiedades de los diferentes compuestos de caucho natural obtenidos.

Un material compuesto elastomérico consiste en la obtención de un nuevo material al mezclar un caucho con algún tipo de carga, buscando en todos los casos obtener mejores propiedades que el elastómero sin refuerzo. El material compuesto está constituido por una matriz o material ligante, en el caso del presente estudio caucho natural (NR), y además por un refuerzo, que en el caso de la presente revisión son residuos posindustriales y agroindustriales. Los refuerzos o cargas tienen como propósito aumentar las propiedades mecánicas, generar cambios superficiales y en la medida de lo posible generan disminución de costos.(Imanah & Okieimen 2003)

Los residuos que son estudiados en el presente trabajo y que son incorporados al caucho natural (NR) pueden ser obtenidos de diferentes formas, en muchos casos estas cargas se obtienen de residuos industriales que tienen una difícil disposición o en algunos casos en que dicha disposición es muy costosa. Algunas cargas utilizadas se pueden adicionar a la matriz sin ningún tratamiento previo, pero en muchos de casos, antes del proceso de mezclado deben ser sometidas a un tratamiento físico, químico, térmico, entre otros.(Hashim et al. 2017)

La interacción de la carga y el caucho natural depende de características como la composición química de la carga, la afinidad con el caucho y la química superficial; además de factores como el tamaño y la forma de las partículas que constituyen la carga y por lo tanto del área superficial de las mismas.

En la tabla 2 se pueden observar los métodos de obtención de algunos de los residuos agroindustriales que se utilizan como carga en el caucho natural y adicionalmente los tratamientos previos a los que son sometidas antes de ser mezcladas e incorporadas en la matriz de caucho natural. Muchos de los tratamientos superficiales o de modificación química que se les hacen a las cargas mejoran notablemente la interacción con la matriz de caucho natural, esta afinidad mejora el rendimiento tecnológico de los compuestos.

2
Tabla 2

Método de obtención y tratamiento para cada una de las cargas residuales.

2 Método de obtención y tratamiento para cada una de las cargas residuales.

Luego de conocer el proceso de obtención y tratamiento de las cargas se pueden analizar sus respectivas características y composición, que le confieren a los materiales un determinado comportamiento frente a su procesabilidad y propiedades finales del compuesto.

La tabla 3 y tabla 4 permite analizar información sobre la composición de los residuos empleados como cargas, estos datos pueden brindar información de cómo se comportarán los refuerzos al momento de incorporarlo al caucho natural.

3
Tabla 3

Composición química de las cargas agroindustriales. (Universidad Industrial de Santander. Centro de Estudios de Ingeniería Química. et al. 2012),(López-miranda et al. 2007),(Mohammed et al. 2015),(González-Velandia et al. 2016).

3 Composición química de las cargas agroindustriales. (Universidad Industrial de Santander. Centro de Estudios de Ingeniería Química. et al. 2012),(López-miranda et al. 2007),(Mohammed et al. 2015),(González-Velandia et al. 2016).

4
Tabla 4

Composiciones químicas de otras cargas agroindustriales (Rodolfo Ruiz Posada 2014),(Brumovsky 2014),(Santos et al. 2012)

4 Composiciones químicas de otras cargas agroindustriales (Rodolfo Ruiz Posada 2014),(Brumovsky 2014),(Santos et al. 2012)

La adición de cargas reforzantes al caucho natural y la interacción de los materiales puede generar o no una mejora en las propiedades fisicoquímicas del material compuesto, ampliando de esta manera el abanico de usos. La adición de las cargas comerciales como el negro de humo por ejemplo, genera una mejora notable en propiedades como la resistencia a la abrasión, al desgarre, a la fatiga, a la fisura por flexión y al desgaste, también mejora el procesamiento, la dureza del material, su elongación y elasticidad; se espera entonces que algunas cargas obtenidas como residuos agroindustriales puedan mejorar algunas de las propiedades que las cargas comerciales logran mejorar (Martínez et al. 2013)(Rattanasom & Prasertsri 2012).

Dado que las cargas comerciales como el negro de humo traen consigo un efecto negativo en el medio ambiente como consecuencia de su procedencia petroquímica y adicionalmente su alto costo asociado, es importante estudiar diferentes cargas provenientes de residuos agroindustriales que en lugar de generar un efecto nocivo en el medio ambiente, pueden mitigar la generación de contaminantes y desechos dispuestos en rellenos sanitarios, además que pueden mejorar algunas propiedades físicas de los compuestos de matriz elastomérica. Sin embargo, y teniendo presente el uso masivo del negro de humo como refuerzo de caucho natural, es importante resaltar que no siempre el uso de negro de humo significa una mejora de todas las propiedades simultáneamente, es decir, algunas propiedades decrecen con la adición del negro de humo mientras otra aumentan y es por esto que en algunos casos se deben manejar pequeños rangos del contenido del refuerzo en la mezcla de caucho (Hassan AL-nesrawy & Al-maamori 2014)(Fu et al. 2013)(Patnaik & Brown 2010). Otra carga comercial muy usada en los compuestos elastoméricos es la sílice que actúa como un excelente refuerzo para productos de color y que proporciona (además de algunas de las propiedades que el negro de humo le aporta al caucho natural) una combinación única de resistencia al desgarre, resistencia al envejecimiento y buenas propiedades de adhesión (P & TE 2016).

Durante el proceso de mezclado se pueden presentar diferentes situaciones que afectan la uniformidad en las propiedades del compuesto de caucho natural, por ejemplo el negro de humo y la sílice pueden presentar ciertas desventajas en la adecuada dispersión de las cargas en el caucho natural, esto se debe a las fuerzas de atracción entre partículas, lo cual genera como resultado aglomerados y una mala distribución y dispersión de las cargas, disminuyendo de esta manera el efecto reforzante en el material. La sílice por ejemplo tiende a formar enlaces de hidrógeno y no poseen una adecuada interacción con el caucho natural, es por esto que se deben implementar agentes de acoplamiento que reaccionen químicamente con la carga y con el caucho durante el proceso de mezclado y vulcanización (P & TE 2016).

La incorporación de las cargas en el caucho natural se puede realizar empleando diferentes métodos de procesamiento, en la mayoría de los casos se emplean dos tipos de mezcladores conocidos como mezcladores internos y mezcladores abiertos. La dispersión y distribución de las cargas en la matriz de caucho natural depende directamente del mezclador o equipo de proceso empleado, además del esquema de mezclado. Adicionalmente la interacción de la carga con el caucho natural va a depender de la composición química de la carga y su afinidad con el caucho, es por esto que en muchos casos las cargas deben ser funcionalizadas o tratadas física y químicamente para mejorar dicha interacción.

De acuerdo con lo anterior, cuando se van emplear cargas reforzantes en el caucho natural se deben tener en cuenta la naturaleza de las cargas, la necesidad de realizar un tratamiento previo de las cargas para mejorar el tamaño, forma e interacción química con el caucho natural, pero adicionalmente se deben elegir adecuadamente los procesos de mezclado para asegurar de esta manera la mejor incorporación posible de la carga en el caucho natural. Es entonces cuando se definen los esquemas de mezclado y los equipos de proceso. Los mezcladores internos, como el mezclador tipo “Banbury”, permiten lograr altas velocidades de cizallas, fenómeno que generará una mejor dispersión de las cargas en la matriz de caucho natural, mientras un molino abierto de rodillos no posee la misma capacidad, por lo tanto, los tiempos de mezcla deberían ser diferentes dependiendo el equipo que se va a utilizar.

A continuación, se describen algunos procesos de mezclado e incorporación de las cargas de residuos agroindustriales en matrices de caucho natural, especificando en algunos casos los parámetros de proceso, que finalmente influirán en la homogeneidad de la mezcla y por lo tanto en las propiedades finales de los compuestos:

Almidón de patata: La suspensión acuosa de nano cristales de almidón de patata y látex de caucho natural se mezcla en varias proporciones a temperatura ambiente usando un agitador mecánico durante 15 minutos para asegurar una dispersión uniforme. Luego se mantiene la mezcla 1 hora para su homogeneización y la sedimentación de impurezas. Posteriormente se agita la mezcla usando vacío en un roto evaporador durante 10 minutos, con el fin de desgasificar y evitar la formación de burbujas durante la evaporación del agua. Se forman entonces películas con un espesor uniforme mediante vaciado en un molde de vidrio y se evaporaron a 40°C en un horno durante 4-6 horas para luego calentar a 60°C bajo vacío por 2 horas. Las películas se acondicionan a temperatura ambiente en un desecador con P2O5,(Rajisha et al. 2014)

Ceniza de bagazo de caña de azúcar (Sugarcane Bagasse Ash - SBA): En este trabajo se elaboraron compuestos con diferentes cantidades de SBA, las cuales varían de 0 hasta 50phr, el mezclado inicia con el proceso de masticación del caucho natural, el cual fue llevado a cabo en un mezclador de dos rodillos, luego se adicionan los diferentes ingredientes garantizando la distribución uniforme de los aditivos, este proceso se realiza durante un tiempo entre 20 a 30 minutos. Las mezclas son luego llevadas al proceso de prensado para su vulcanización a una temperatura de 150 a 160°C (Santos et al. 2014),(Kanking et al. 2012).

Aserrín: Los compuestos de caucho natural con aserrín son elaborados en un molino de dos rodillos calentado eléctricamente, durante el proceso se homogeniza y lamina la mezcla por un tiempo entre 8 a 14 minutos, la razón de fricción de los rodillos es de 1: 1.1, y la temperatura del proceso fue establecida entre 25 y 50°C. Las mezclas son luego vulcanizadas en una prensa hidráulica con una presión de 150 MPa y a una temperatura de 110°C (Manaila et al. 2016).

Cáñamo: Para el mezclado de la carga con el caucho natural se utiliza un molino de dos rodillos, se emplearon formulaciones donde la carga varía desde 0 hasta 70 phr; la temperatura del proceso se mantuvo por debajo de los 80°C y el curado de los compuestos se realizó por compresión en una prensa a temperaturas entre 110 y 180°C (Stelescu et al. 2014),(Osabohien & Egboh 2008).

Vástago de plátano: Las mezclas del caucho natural fueron elaboradas en un molino de tres rodillos durante aproximadamente 30 minutos, luego se colocaron las fibras del tallo entre dos capas de caucho y entonces se recubrieron con láminas de PET, luego se moldearon por compresión en una prensa hidráulica durante aproximadamente 5 minutos a 150 ° C con una presión de 115 kg / cm2 (Ezema et al. 2014).

Cáscara de semilla de tamarindo de terciopelo: La formulación de los compuestos varió entre 0 y 70 phr de carga, el caucho natural y los aditivos se mezclaron en un molino de dos rodillos a 80°C. El proceso de curado se realizó en una prensa calentada por vapor con una presión de 150 kg / cm2, a una temperatura de 185 ° C (Okoh & Osabohien 2014).

Cascarilla de arroz: Se prepararon inicialmente mezclas de caucho natural (60%) con polietileno de alta densidad (40%) en un mezclador cerrado a 135°C durante 10 minutos a una velocidad de 50 rpm; luego el compuesto fue granulado. Las mezclas de cascarilla de arroz con caucho natural y polietileno de alta densidad (con variaciones de 10% a 30% en peso de la cascarilla de arroz) se mezclaron en estado fundido a 135°C durante 13 minutos con una velocidad de 45 rpm. Finalmente los compuestos se prensaron en caliente en hojas de 1 y 3 mm (Ahmad et al. 2012).

Sílice obtenida a partir de la cascarilla de arroz: En uno de los estudios realizados con este tipo de cargas, se empleó un molino cerrado para realizar la incorporación de las ceniza de cascarilla de arroz en caucho natural epoxidado, las condiciones fueron de 80°C y a una velocidad de rotación de 40rpm; en este estudio se emplearon agentes de acople para mejorar la interacción del residuo con el caucho natural epoxidado (Pongdong et al. 2015). La adición en caucho natural de la ceniza de cascarilla de arroz también ha sido estudiada en conjunto con otro tipo de residuos como por ejemplo ceniza proveniente del bagazo de la caña de azúcar y cenizas provenientes de aceite de palma, en este caso, los componentes de la mezcla incluyendo cada tipo de ceniza fueron adicionados en un mezclador interno mientras que el sistema de vulcanización fue adicionado en un molino abierto de dos rodillos (Pinpat et al. 2017). De igual manera, la ceniza de cascarilla de arroz también ha sido mezclada con sílice comercial y lodo de mármol antes de ser incorporada en el caucho natural, en este caso el proceso de mezclado fue llevado a cabo en un molino abierto de rodillos (Ahmed et al. 2014b). Finalmente, en otro estudio se adicionó la ceniza de cascarilla de arroz en el caucho natural con el propósito de evaluar la función de óxidos metálicos en la cinética de la reacción de vulcanización con azufre. La mezcla de los ingredientes se desarrolló en un molino abierto de rodillos a una temperatura de 70°C de acuerdo a la norma ASTM D 3182 (Da Costa et al. 2003).

Fibra de coco: Las formulaciones de los materiales compuestos contienen entre 10 y 60 phr de fibra de coco, el mezclado se realiza en un molino de dos rodillos cuya apertura entre ellos es de 1,25mm, las fibras se incorporan al final del proceso de mezclado teniendo en cuenta la alineación del sentido en el compuesto. El proceso de curado fue establecido a una temperatura de 150°C (Geethamma et al. 1998),(Geethamma et al. 2005).

Fibra de hoja de piña: Se realizó inicialmente una masticación del caucho (durante 2, 4, 8 y 16 minutos), los compuestos se prepararon en un molino de dos rodillos formando láminas y luego se fueron vulcanizados en un sistema hidráulico a 10MPa y 150°C.(Yantaboot & Amornsakchai 2017). En otro trabajo se prepararon los compuestos de caucho y fibra de hoja de piña en dos etapas, en la primera se utilizó un molino de dos rodillos a una velocidad de 50 rpm y a una temperatura de 40°C para mezclar caucho natural con caucho nitrilo y con las fibras de hoja de piña; luego se agregó secuencialmente los demás componentes, finalmente se moldeó por compresión la mezcla a 150°C para obtener láminas de 1mm de espesor.(Panyasart et al. 2014)

Lodo de mármol: El mezclado se realizó de acuerdo con la norma ASTM 3182 en un molino de dos rodillos, se masticó el caucho y luego se agregó la carga que varió entre 20 y 100phr en la formulación donde la carga es solamente lodo de mármol, para este caso las características de vulcanización se midieron a una temperatura de 140°C durante 20 minutos. De otra manera se realizaron compuestos híbridos con sílice, donde las proporciones de lodo de mármol y sílice fueron diferentes, donde cuya formulación es de 60 phr (Ahmed, Nizami, Raza, et al. 2013a),(Ahmed et al. 2014b),(Ahmed et al. n.d.).

Ceniza de palma de aceite: El desarrollo de mezclas con ceniza de palma de aceite se realiza en un molino de dos rodillos durante aproximadamente 20 minutos, las características de vulcanización se miden según la ISO 3417 a 150°C, misma temperatura a la que se realiza el moldeo por compresión (Ooi et al. 2015),(Ooi et al. 2014),(Ooi et al. 2013).

Al analizar en la literatura los diferentes compuestos elaborados a partir de una mezcla de caucho natural con residuos provenientes de procesos agroindustriales, se puede establecer un procedimiento general que puede ayudar a seguir un paso a paso para la adecuada incorporación y elaboración de los materiales compuestos de caucho natural reforzados con residuos posindustriales:

Inicialmente se define si es necesario o no realizar un tratamiento físico o químico de los residuos, por ejemplo, en algunos casos es necesario emplear procesos de conminución de tamaño y en otros procesos de neutralización con ácidos o bases de acuerdo con la naturaleza de los residuos; en la mayoría de los casos los residuos deben ser secados antes de incorporarlos en la matriz elastomérica. Para definir el tratamiento que se le debe aplicar a las cargas, se debe conocer inicialmente sus características fisicoquímicas, algunas de las técnicas de caracterización empleadas para este propósito han sido espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR), Difracción de rayos x (XRD), fluorescencia de rayos x (XRF), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y análisis térmico por calorimetría diferencial de barrido (DSC) y mediante análisis termogravimétrico (TGA).

Antes del proceso de mezclado del caucho natural con los residuos agroindustriales, se deben establecer el resto de ingredientes que harán parte de la formulación de los compuestos de caucho natural. Los ingredientes se pueden agrupar en sistemas, por ejemplo, se debe definir el sistema de vulcanización (azufre, acelerantes, peróxidos), el sistema de activación (óxido de zinc y ácido esteárico), los sistemas de protección (antioxidantes, antiozonantes) y los ayudantes de proceso, entre otros.

Dependiendo de la forma y tamaño de los residuos se establece el proceso de mezclado con el caucho natural, se emplean entonces diferentes equipos y esquemas para la incorporación de los mismos. En algunos casos se pueden emplear mezcladores cerrados como por ejemplo mezcladores tipo Banbury y reómetros de torque, en otros casos se emplean mezcladores abiertos como por ejemplo molinos abiertos o de rodillos; en este caso se debe tener claro que la incorporación de los residuos en el caucho natural será diferente, esto se debe a las diferentes velocidades de cizalla que se generan en los dos equipos de proceso, siendo mayores las velocidades de cizalla generadas en el mezclador interno, por lo que se espera una mejor dispersión y distribución de los residuos cuando se emplea este tipo de equipos.

Los residuos agroindustriales pueden generar cambios significativos en el proceso de vulcanización de los compuestos de caucho natural. La naturaleza acida o básica de los residuos genera cambios en los tiempos empleados para la vulcanización del caucho, por ejemplo el tiempo que se demora para comenzar la reacción de vulcanización o tiempo “scorch” (tscorch) puede ser alterado por la incorporación de los residuos, al mismo tiempo que puede ser alterado el tiempo óptimo de vulcanización (t100); el tiempo necesario para alcanzar el 90% (t90) de la vulcanización es un parámetro empleado en el sector cauchero, por lo que es común en algunos trabajos encontrar reportado el t90 en lugar del t100. Los torques máximo (MH) y mínimo (ML) obtenidos mediante la reometría de vulcanización también pueden verse afectados por la incorporación de los residuos posindustriales, esto se debe al aumento en la viscosidad del caucho natural al incorporar los residuos, efecto que se verá reflejado en el aumento del torque mínimo (ML) o un aumento en el torque máximo (MH) como resultado del efecto reforzante de los residuos, representado un primer acercamiento a las propiedades mecánicas de los compuestos.

Finalmente, los compuestos de caucho natural reforzados con residuos posindustriales pueden ser evaluados mediante el análisis de sus propiedades mecánicas, como por ejemplo la resistencia a la tensión, al desgarre, a la compresión, dureza y flexión. De acuerdo con el rendimiento mecánico de los compuestos, estos pueden ser empleados en diferentes aplicaciones, obteniéndose con está la posibilidad de fabricar nuevos productos empleando residuos que su disposición final significa una problemática ambiental.

En las figuras 3 y 4 se muestran las técnicas empleadas en los trabajos desarrollados por los diferentes autores que fueron usadas con el propósito de caracterizar la naturaleza y propiedades de las cargas, además de las propiedades de los compuestos de caucho natural mezclados con los residuos posindustriales, respectivamente.

De acuerdo con el esquema presentado en la figura 3, puede establecerse que para evaluar la morfología y tamaños de los residuos posindustriales que son mezclados con caucho natural, la microscopia electrónica de barrido (SEM) es la técnica empleada en mayor proporción, comparada con la microscopia electrónica de transmisión (TEM).

3
Figura 3

Técnicas de caracterización empleadas para evaluar las propiedades fisicoquímicas de los residuos posindustriales.

Durante el análisis de los diferentes trabajos desarrollados por diferentes autores, se encontró que no todos los autores reportan las condiciones y resultados obtenidos durante la reometría de vulcanización. La tabla 5 describe el efecto que tiene la incorporación de algunas cargas posindustriales en caucho natural en los tiempos de vulcanización y en los torques máximo y mínimo.

5
Tabla 5

Efecto de la adición de residuos posindustriales en los parámetros de vulcanización de compuestos de caucho natural.

5 Tabla 5

Los tiempos de vulcanización son un parámetro que está directamente relacionado con los tiempos de proceso para la producción de cualquier producto de caucho vulcanizado. Si los tiempos de vulcanización disminuyen como efecto de la adición de los residuos agroindustriales, puede entonces influir positivamente en el proceso productivo, ya que los tiempos necesarios para la producción de un producto de caucho vulcanizado puede ser menor. El efecto de los residuos en los tiempos de vulcanización puede deberse al pH o naturaleza química, en algunos casos el pH puede ser ácido, por lo que puede generar un efecto activador de la reacción de vulcanización, acelerando tanto el comienzo de la reacción como los tiempos para lograr el 100% de la vulcanización.

Al aumentar los torques máximos de los compuestos de caucho natural mezclado con los residuos posindustriales, también se espera que aumente el rendimiento mecánico de estos compuestos.

4
Figura 4

Mezclado y propiedades mecánicas estudiados de los residuos posindustriales estudiados en por diferentes autores.

Como fue discutido anteriormente, la morfología de las cargas, la incorporación y la interacción de los diferentes residuos agroindustriales con el caucho natural puede ser evaluado mediante técnicas microscópicas como por ejemplo la microscopia electrónica de barrido (SEM). En la figura 5 se observan diferentes cargas mezcladas con caucho natural, las imágenes escogidas tienen un rango aproximado de aumentos, con el propósito de generar una comparación cualitativa de la interacción de las diferentes cargas con el caucho natural, a excepción de los nano cristales de almidón de patata que debido a su tamaño nanoscópico, los aumentos fueron de 100.000X.

5
Figura 5

Micrografías SEM de algunas cargas agroindustriales mezcladas con caucho natural.

La adición de los diferentes residuos agroindustriales en el caucho natural genera cambios en el rendimiento mecánico de los compuestos. El comportamiento en tensión de los compuestos permite evaluar propiedades como la resistencia máxima, la rigidez y capacidad de elongación de los materiales. En los cauchos se evalúa la rigidez como el esfuerzo a una deformación establecida, generalmente al 100 y 300 porciento de deformación, de esta manera se puede establecer que material reforzante genera una mayor rigidez en los compuestos de caucho natural. En la figura 6 se realizó una gráfica comparativa del comportamiento del módulo al 100% de deformación (M100), donde se comparan compuestos de caucho natural obtenidos con cargas de residuos agroindustriales y comerciales de negro de humo 330 y sílice ultrasil 7005, donde se observa que algunos compuestos de caucho natural reforzados con residuos agroindustriales obtienen niveles de M100 similares a los de los compuestos reforzados con cargas comerciales. Esto permite la posibilidad de desarrollar compuestos de caucho natural con estos residuos agroindustriales, en aplicaciones similares a las establecidas en cauchos naturales reforzados con cargas comerciales.

6
Figura 6

Módulo al 100% de deformación en tensión de algunas cargas agroindustriales y comerciales mezcladas con caucho natural (Vargas et al. 2016; Kaewasakul 2013a).

Con el fin de evaluar posibles usos de residuos agroindustriales, la alternativa en la incorporación en compuestos de caucho natural fue revisada. Previo a la caracterización físico química de cada residuo, se encuentra que existen diversos tipos de refuerzos que pueden obtenerse para incorporar en la matriz de caucho natural, en algunos casos se requieren algunos tratamientos previos para asegurar un adecuado acople con la matriz del compuesto. Como se encuentra detallado en el presente trabajo, los métodos de incorporación de los refuerzos obtenidos a partir de residuos agroindustriales se pueden realizar con los procedimientos y equipos estándar empleados en el desarrollo de compuestos de caucho natural típicos, empleados para la fabricación con refuerzos comerciales como el negro de humo y sílice.

En cada caso de refuerzo empleado, se expone el efecto en el proceso de vulcanización, detallando en qué condiciones se varían parámetros tales como tiempos de vulcanización y scorch, torques máximos y mínimos. Finalmente, se recopilaron las diferentes caracterizaciones fisicomecánicas de los compuestos de caucho natural obtenidos con refuerzos de residuos agroindustriales, realizando comparaciones morfológicas de los compuestos y una evaluación comparativa numérica de una propiedad mecánica típica en compuestos de caucho para determinar su rigidez, como lo es el módulo al 100% de deformación. Donde se encuentra que algunos tipos de refuerzos como el cáñamo, cascarilla de arroz y fibra de coco tienen niveles similares a los registrados con refuerzos comerciales típicos como el negro de humo y sílice.

Los autores agradecen al Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) por sus aportes institucionales.