ES2355436T3 - Utilización de fibras de refuerzo textiles que se derivan del reciclado de desechos de caucho para la producción de placas bituminosas. - Google Patents

Abstract

Utilización del 1 al 15% en masa de una fracción fibrosa que se deriva del reciclado de componentes de neumáticos de caucho que presentan una longitud de fibra de 0,2 a 5 mm y un peso volumétrico de 150 a 200 g/l calculado con respecto a la masa bituminosa modificada con copolímero de SBS o SBR que va a aplicarse sobre el soporte en el transcurso de la fabricación de membranas de impermeabilización que obtienen una calidad mejorada.

Description

La presente invención se refiere a la utilización de fibras de refuerzo textiles que se derivan del reciclado de desechos de caucho para la producción de un compuesto bituminoso en el transcurso de la fabricación de membranas bituminosas modificadas con elastómero.

Es conocido que las placas de aislamiento bituminosas se fabrican aplicando un compuesto bituminoso oxidado 5 de un determinado grosor de capa sobre el soporte de material de refuerzo, que puede ser de material textil de fibra sintética o de fibra de vidrio, utilizando la tecnología de recubrimiento por inmersión. Las características mecánicas de los productos están determinadas principalmente por la calidad del material de soporte, aunque sus características de resistencia al agua y de duración a largo plazo están determinadas por la calidad del compuesto aplicado.

Con el fin de mejorar las características térmicas y de impermeabilización del compuesto bituminoso, se 10 añaden al mismo unos materiales sintéticos. Con la utilización de elastómeros de tipo caucho puede reducirse el agrietamiento en frío de las placas y el valor de temperatura crítica característico y puede aumentarse la flexibilidad de la capa de la placa. Estos elastómeros son solubles en el betún como materiales coloidales, reducen la temperatura de agrietamiento en frío del compuesto bituminoso y mejoran el comportamiento flexible del compuesto. Con la utilización del otro grupo de aditivos, los plastómeros (tales como polímeros de etileno-propileno) puede aumentarse la resistencia 15 al calor del producto hasta entre 140 y 150ºC. Entre los aditivos elastoméricos, merece la pena destacar los copolímeros de SBS (estireno-butadieno-estireno).

La mayoría de placas bituminosas modificadas con elastómero siguen siendo flexibles y dúctiles incluso a entre -20 y 25ºC, siendo su resistencia al calor convencional de 110 a 120ºC.

En el caso de la modificación del betún con elastómeros, tales como SBS, como es conocido, existe un valor 20 crítico desde el aspecto de la realización de la tecnología, que es la denominada “concentración de transición”. Esta concentración significa la cantidad mínima de polímero modificador que ha de disolverse en el betún, en el caso de que el elastómero adopte el papel de matriz bituminosa. Esto sucede porque los elastómeros, debido a su estructura molecular amorfa, poco rígida, que contiene numerosos dobles enlaces, se hinchan y multiplican su volumen en la fase líquida, aceitosa (denominada “malteno”) del betún, y el polímero hinchado creado de esta manera, como fase continua, 25 determina las características compuestas del conjunto betún-elastómero por encima de la concentración de transición, haciendo que sea “similar al caucho”.

El propio betún es también un sistema coloidal, un producto de la refinación del petróleo, e incluso tras las etapas técnicas de este proceso, conserva una estabilidad coloidal significativa, que es la fase dispersa (la denominada asfalteno) y el medio de dispersión líquido no se separa en sus componentes. La diversidad de estos componentes y 30 fases se ha demostrado mediante investigación, y a pesar de la intervención tecnológica de refinación a veces drástica, el sistema es estable, su estructura está determinada por su historia geoquímica inicial. Actualmente, el objetivo es maximizar la emisión de los denominados “productos de línea blanca” de petróleo crudo, y debido a esto se producen frecuentemente problemas relacionados con la estabilidad coloidal del betún.

En el caso de la modificación con polímeros, tal como añadir SBS, se añaden componentes adicionales al 35 betún, como resultado de que aparte de una posible desestabilización inherente que se deriva de la refinación, pueden producirse problemas de estabilidad adicionales. Dependiendo de la calidad del betún, la “concentración de transición” anterior puede diferir en el caso de diferentes tipos de betún, pero el sistema disperso antes de la transición es bastante inestable, de modo que por ejemplo no es adecuada para la producción de membranas de impermeabilización. En el caso de modificación con SBS, la concentración de transición puede ser baja en comparación con otros polímeros (en 40 un caso dado del 4-6%), pero la matriz polimérica hinchada producida de esta manera es todavía bastante blanda directamente tras la transición, el punto de reblandecimiento de anillo y bola es demasiado bajo, y las características de la placa fabricada a partir de la misma son bastante débiles. Junto al aumento de la resistencia mecánica, la resistencia en frío también mejora rápidamente a medida que aumenta la cantidad del agente de modificación en el caso de concentraciones por encima del punto de transición, y alcanza su valor óptimo cuando la matriz de polímero-malteno, 45 que es el SBS hinchado, ha alcanzado su resistencia en frío, flexibilidad y capacidad estructural o “potencial”. En este punto, se logra un orden típico. El efecto que puede lograrse, en principio debido a las características materiales del agente de modificación, en un caso concreto la proporción que produce la estructura realizada realmente en el producto depende de la estructura química del producto de SBS dado, y también depende del betún en gran medida. En un caso dado, los fabricantes de placas bituminosas pueden y necesitan compensar la baja calidad del betún hasta un 50 determinado límite aumentando la concentración de SBS, pero hace que el polímero sea menos eficaz, debido a que el “potencial” que resulta de su estructura molecular no puede utilizarse con una eficacia industrial apropiada en tales casos de “sobredosis”. Además, también requiere una inversión financiera significativamente mayor por parte de los productores debido a los costes de materiales básicos superiores provocados por la cantidad extra de modificador de elastómero. 55

Por consiguiente, aunque puede equilibrarse la baja calidad del betún con un aumento de la cantidad de aditivos, debido a consideraciones económicas sería más favorable hacer lo contrario, es decir, reducir la cantidad añadida de SBS. En la producción de placas, junto a una cantidad de SBS fijada entre el 10 y el 12% en masa sin relleno en promedio calculado con respecto al compuesto bituminoso según el estado de la técnica, el efecto técnico

esperado total no se logra generalmente, ya que no se crea la estructura de SBS óptima, es decir el denominado “potencial del material”, que se debe a la estructura molecular del producto de modificación, sólo se logra en parte en las características del compuesto bituminoso en la industria práctica.

Además de o en lugar de SBS, se llevan a cabo experimentos con diferentes aditivos adicionales para modificar el betún. Algunos de dichos experimentos se realizan básicamente utilizando desechos, ya que, en este caso, también 5 se consigue un coste neto relativamente bajo y un beneficio de protección medioambiental, ya que la eliminación de desechos requiere costes. Por ejemplo, a partir de las fracciones producidas en el transcurso de neumáticos de caucho utilizados, se ha sugerido el caucho molido como aditivo, ya que es adecuado, sin duda, para la compensación parcial de la reducción del punto de reblandecimiento que resulta del deterioro de la calidad del betún.

En términos generales, todas las tecnologías de reciclado, de procesamiento de neumáticos de caucho 10 consisten en tres etapas: corte preliminar, granulación y molienda en frío (criogénica). Éstas están acompañadas por diferentes procesos de tamizado y clasificación. En el transcurso del corte preliminar, tras separar los diferentes tipos de neumáticos (coche, camión, otros), se corta el objeto de caucho en trozos del tamaño de la palma de la mano utilizando cizallas giratorias. El proceso de granulación consiste en varias fases. En el transcurso del mismo, el material cortado de forma preliminar se corta en trozos gradualmente más pequeños en molinos trituradores en serie. Esto se denomina 15 trituración a temperatura ambiente. Durante los siguientes procesos de tamizado y clasificación, se producen tres fracciones: gránulos de caucho, chatarra de acero y fibras. Esta última fracción se dispone en un separador, en el que se retira el metal residual y se realiza una pulverización y corte de fibra adicionales. Durante la molienda en frío, se enfrían los gránulos de caucho con nitrógeno líquido, y este material sólido vítreo se pulveriza en un molino especial. El diagrama de flujo de la tecnología de reciclado de caucho de desecho se muestra en la figura 1. La fracción de fibra no 20 se separa por completo de los demás componentes, especialmente del caucho. La proporción de caucho que queda en esta fracción es de por lo menos el 10% en masa, pero en determinados casos puede ser de hasta el 50-55% en masa.

Se han logrado resultados en la tecnología del cemento y la utilización energética (quemado) con respecto a la utilización de la fracción de fibra de refuerzo recuperada, que se produce en forma de una masa fibrosa. Uno de estos resultados es el procedimiento sugerido en la memoria nº WO 2004/089610, en la que se describe, como anteriormente, 25 el procesamiento mecánico de neumáticos de caucho de desecho y la separación de los componentes individuales. Al mismo tiempo, el objetivo establecido en la misma es reciclar la fracción fibrosa. El campo principal de reciclado implica mezclar el material fibroso en materiales de construcción basados en betún e impedir mediante esto la modificación de betún con polímero, y estabilizar la viscosidad. En determinados casos, para este fin se mezcla la fracción fibrosa con un material aglutinante orgánico y se añaden al asfalto, unas placas de absorción de la vibración en lugar de polímero, en 30 forma de un concentrado líquido.

En el caso de masa bituminosa utilizada para membranas de impermeabilización, la situación es diferente que en el caso de masa bituminosa utilizada para la construcción de carreteras, siendo la diferencia esencial que el asfalto contiene del 4 al 6% en masa de material aglutinante bituminoso, mientras que en el caso de membranas de impermeabilización la masa bituminosa no rellena contiene aproximadamente el 90% en masa de betún, de tal modo 35 que forma un material estructural por sí mismo. Los requisitos recomendados con respecto al betún como material estructural son específicos, y sin tenerlos en cuenta los resultados que pueden esperarse no satisfacen el nivel técnico.

El objetivo de la invención es utilizar fibras de refuerzo textiles independientes que se derivan del reciclado de desechos de caucho para complementar la masa bituminosa para membranas de impermeabilización, en las que pueden aprovecharse por completo las características específicas de la fracción fibrosa. 40

La invención se basa en la utilización del 1 al 15% en masa de una fracción fibrosa que se deriva del reciclado de componentes de neumáticos de caucho que presentan una longitud de fibra de 0,2 a 5 mm y un peso volumétrico de 150 a 200 g/l calculado con respecto a la masa bituminosa modificada con copolímero de SBS o SBR que va a aplicarse sobre el soporte en el transcurso de la fabricación de membranas de impermeabilización que obtienen una calidad mejorada. La masa bituminosa modificada con elastómero se modifica con copolímero de estireno-butadieno-estireno 45 (SBS) o caucho de estireno-butadieno (SBR). La cantidad favorable de fracción fibrosa utilizada es del 2 al 10% en masa calculado con respecto a la masa bituminosa modificada con copolímero de SBS. La fracción fibrosa es una masa fibrosa que contiene caucho molido recuperado y separado en el transcurso del reciclado de desechos de caucho, masa fibrosa que es típicamente una mezcla de celulosa, poli(tereftalato de etileno) (PET), poliamida (PA 66) y diferentes poliacrilatos. 50

La longitud de fibra de la fracción fibrosa utilizada es de 0,2 a 5 mm, de manera favorable de 0,4 a 0,8 mm, su peso volumétrico es de 150 a 200 g/l. La fracción fibrosa utilizada contiene del 5 al 70% de partículas de caucho calculado con respecto a su peso, ya que la sección de caucho y el material fibroso no pueden separarse por completo la una del otro.

La masa bituminosa se modifica con elastómero, especialmente polímero de SBS, que contiene del 1 al 15% de 55 fracción fibrosa calculado con respecto a su peso, que se deriva y se separa en el transcurso del reciclado de desechos de caucho, que contiene partículas de caucho. La masa bituminosa es adecuada para la fabricación de placas bituminosas cuando se aplica sobre un soporte.

En el transcurso de esta investigación, fue sorprendente descubrir que la utilización de desechos de caucho implica posibilidades adicionales en el caso de betún modificado con SBS y otros elastómeros, a pesar del hecho de que la adición de material fibroso común en sí mismo no es eficaz en la fabricación de placas. La fracción fibrosa obtenida a partir de caucho separado contiene inevitablemente partículas de caucho también, y con esta mezcla completa aparte de equilibrar el deterioro de parámetros térmicos que se deriva del deterioro de la calidad del betún, también puede 5 lograrse el mismo objetivo con la adición de elastómero significativamente reducida.

Se ha descubierto que estas fibras, debido a su especial modificación de la superficie que se produce en el transcurso de la producción de neumáticos, como materiales fibrosos “respetuosos con los elastómeros”, facilitan la estructuración del SBS hinchado en betún, porque puede integrarse en la matriz de SBS hinchado en malteno potenciando su intensa estructuración y reticulación, que es el ejercicio más intenso de su posible efecto que resulta de 10 su estructura molecular. Al mismo tiempo, las partículas de caucho también toman parte en este complejo sistema compuesto creado, ya que en el betún SBS produce una estructura secundaria en el transcurso del hinchamiento (que amplía significativamente el denominado “intervalo de plasticidad”, que es el intervalo de temperatura de la temperatura de agrietamiento en frío y el punto de reblandecimiento), y el material fibroso activado con caucho en su superficie y también el polvo de caucho que lo acompaña se integra en esta estructura. La experiencia muestra que en casos en los 15 que alguna característica desfavorable del medio (betún) y/o el aditivo contaminante que presenta un efecto desfavorable sobre la estructura del elastómero inhiben la producción de la estructura reticulada secundaria, SBS no puede ejercer su efecto estructural teórico completo que se deriva de su estructura molecular, mientras que el aditivo según la invención, la fracción fibrosa, y SBS juntos, que es la matriz de SBS modificada, es más estable que el SBS por sí solo. En este campo, el material fibroso y el caucho presentan un efecto sinérgico. En el transcurso del procedimiento 20 de reciclado, la fracción fibrosa considerada como indispensable por sí misma presenta el rasgo característico inesperado de que potencia la reticulación del SBS disuelto en betún, refuerza su estructura secundaria, ampliando mediante esto el intervalo plástico. Como resultado de esto, el límite de temperatura superior (punto de reblandecimiento de anillo y bola) se impulsa adicionalmente a aumentar, mientras que el límite de temperatura de doblado en frío se impulsa adicionalmente a disminuir. Las partículas de caucho aumentan la compacidad del sistema de SBS, mientras 25 que el material fibroso aumenta su estructuración. El hecho de que exista una interacción específica en los dos lados está respaldado por la experiencia de que el efecto anterior no aparece cuando se utilizan otros agentes de modificación de betún, y el material fibroso común, o incluso granulado de caucho por sí mismo, no ejerce el efecto anterior sobre la masa con SBS bituminosa.

Junto a las interacciones anteriores, el material fibroso también se integra en el propio betún, de modo que 30 también presente un efecto de refuerzo de la estructura, pero su importancia real se extiende más allá de este efecto conocido se reafirma a través del efecto que ejerce sobre SBS.

Por consiguiente, en el transcurso de esta investigación sobre materiales se llegó a la conclusión de que materiales fibrosos ampliamente utilizados, tales como celulosa, fibra acrílica, poli(tereftalato de etileno), poliamida, cuando se calientan con caucho en bruto o vulcanizado, experimentan una modificación de la superficie, que es 35 favorable desde el aspecto del objetivo anterior y permite la utilización de la invención.

Se descubrió que, como resultado de esto, la masa fibrosa puede utilizarse como aditivo de valor total en sistemas de betún con SBS, y con su ayuda puede generarse el complejo efecto descrito anteriormente, lo cual significa incluso que con una cantidad reducida de SBS o utilizando betún de menor calidad, pueden fabricarse chapas de impermeabilización con elastómero de calidad total o incluso mejorada. 40

Es importante recalcar que el reconocimiento, en el que se basa la invención se refiere explícitamente a la modificación de la superficie de fibras que se produce en el transcurso de la vulcanización, de tal modo que el efecto positivo aparezca en cada caso independientemente del intervalo dentro del cual cambia la composición de la fibra de las capas textiles de refuerzo utilizada en la producción de caucho. Durante el examen de la estructura fina de la masa, se descubrió que la fracción fibrosa de desecho presenta características de superficie inherentes como resultado de que 45 se genera la interacción intensa con SBS en el betún, y en la masa en la que se producen las fibras en distribución aleatoria y aisladas, no se forman haces ni aglomerados, ya que la interacción anterior es más fuerte que la tendencia de las fibras a formar enlaces, lo que produce dificultades tecnológicas en otros casos.

Al mismo tiempo, junto al avance técnico logrado en el producto, la interacción significativa entre el SBS disuelto en el betún y el aditivo de la fracción fibrosa según la invención también puede demostrarse con mediciones 50 reológicas-de viscosidad directas. Para este fin, se preparó una masa básica añadiendo un 5% de SBS a betún B-200, a continuación se añadió al mismo el 2,4 y el 6% de fracción fibrosa que se deriva de reciclado de caucho con un contenido en caucho del 35% adherido de manera parcialmente intensa a las fibras y parcialmente como polvo remanente. Es conocido que el betún fundido, denominado betún destilado, que es el más ampliamente utilizado en la fabricación de placas bituminosas, se comporta como un líquido ideal por sí mismo y sigue la ley de Newton, según la 55 cual



en la que  es la denominada viscosidad,  es la tensión de cizallamiento (que es el efecto que induce la deformación o el flujo del líquido) y  es la velocidad de cizallamiento, que es el fenómeno de flujo en sí mismo. Sin embargo, esta ley no tolera líquidos que presentan una estructura (para cuerpos que se deforman), en tales casos deben aplicarse descripciones cinemáticas más complejas, tales como la fórmula de Ostwald:

5 nK

Las definiciones anteriores representan las cantidades en esta fórmula, la viscosidad se sustituye por K, un nuevo coeficiente denominado el factor de consistencia, y el exponente n es el índice de flujo, cuyo valor es 1, si el material es “newtoniano”. En caso prácticos n es entre 1 y 0,5, de modo que una diferencia de 0,1 tiene una considerable importancia estructural. Obviamente, el betún no modificado puede ser un líquido “newtoniano”, y la extensión de la diferencia depende significativamente de la concentración y la estructura del SBS, en el caso del betún 10 dado. Los resultados de estas mediciones se muestran en la tabla 1 y en la curva 1.

Tal como puede observarse, junto al aumento significativo de K, la presencia de SBS también aparece en la disminución de n. Sin embargo, es interesante que incluso en el caso de añadir un 2% de material fibroso se produce una disminución significativa en el índice de flujo consiguiente, y la consistencia continúa aumentando. Existen dos factores llamativos. Uno de ellos es que la forma matemática del estado de flujo que se produce en el caso de la adición 15 de un 2% no continúa cambiando en el caso de cualquier adición adicional, y el otro es que el valor de K no aumenta en absoluto linealmente con relación a la adición (aumento de concentración), sino exponencialmente. Ambos factores indican la producción de complejo de material fibroso de SBS - betún.

Muestra

Consistencia [Pa.s] Índice de flujo

5% de SBS (90ºC)

25,48 0,8

5% de SBS (95ºC)

20,194 0,8

5% de SBS (100ºC)

14,039 0,8

5% de SBS (105ºC)

8,4 0,8

5% de SBS 2% de Sz (90ºC)

110,853 0,62

5% de SBS 2% de Sz (95ºC)

93,825 0,62

5% de SBS 2% de Sz (100ºC)

69,307 0,62

5% de SBS 2% de Sz (105ºC)

49,7 0,62

5% de SBS 4% de Sz (95ºC)

235,1 0,62

5% de SBS 4% de Sz (100ºC)

148,19 0,62

5% de SBS 4% de Sz (105ºC)

97,642 0,67

5% de SBS 4% de Sz (110ºC)

60,23 0,71

5% de SBS 6% de Sz (100ºC)

316,52 0,52

5% de SBS 6% de Sz (105ºC)

207,186 0,57

5% de SBS 6% de Sz (110ºC)

133,17 0,63

Concentración de material fibroso [%] (con 5% de SBS)

Consistencia (Pa.s)

90ºC

95ºC 100ºC 105ºC 110ºC

0

25,48 20,194 14,039 8,4 --

2

110,853 93,825 69,307 49,7 --

4

-- 235,1 148,19 97,642 60,23

6

-- -- 316,52 207,186 133,17

Debido a la utilización de la invención, se eliminan los efectos desfavorables que se derivan del deterioro de la calidad del betún y que aparecen en la reducción del intervalo de plasticidad (la disminución del punto de reblandecimiento y el aumento de la temperatura de agrietamiento en frío), y al mismo tiempo, es posible reducir la 5 cantidad de SBS utilizada en el transcurso de la fabricación de membranas bituminosas, lo que da como resultado una ventaja económica. Obviamente, las otras características técnicas mejoradas de las chapas de impermeabilización también son importantes. Merece la pena recalcar dos de ellas. Una de ellas es la denominada “disponibilidad para tráfico peatonal” en el caso de utilizar placas bituminosas, que es bastante crítico en el caso de placas de SBS. Esto significa que con la exposición a calor radiante (radiación solar) y una temperatura ambiente relativamente alta, se 10 mantiene la posibilidad de caminar sobre la chapa ya ajustada sin que se produzca ningún daño en la chapa. El otro rasgo característico mejorado aparece en la superficie tras soldadura con gas, ya que mejora la rigidez superficial de la membrana bituminosa, lo cual significa que durante la utilización la placa bituminosa soldada es más resistente al daño medioambiental.

A continuación, se describe la invención con relación a unos ejemplos. 15

A continuación, se describen diferentes versiones de la utilización de la fracción fibrosa. Con respecto al hecho de que se pretende describir la esencia de la invención, la integración de material fibroso y sus diferentes versiones en relación con los ejemplos, no se cambió deliberadamente la longitud de las fibras, ya que no influye en la esencia de la invención, pero tiene un efecto sobre los resultados. Por este motivo, con el fin de una fácil comparación, se eliminó este factor, y, en cada caso, se utilizó una masa de fibras con una longitud de 0,5  0,2 mm. 20

Se analizó una fracción fibrosa producida en el transcurso del procesamiento mixto de neumáticos de caucho de diferente origen.

Debido a la clasificación de los neumáticos al azar, su composición era la siguiente:

50% de celulosa

30% de PET 25

20% de PA (6,6)

Debido a la tecnología de procesamiento, la muestra dada también contenía partículas de caucho de diferentes tamaños y tipos del 15% en masa calculado con respecto a su material. A partir del material anterior y SBS, se produjo placa bituminosa modificada con elastómero, y se comparó con el efecto de la adición de material fibroso y polvo de caucho. Los resultados de estos experimentos se resumen en la siguiente tabla 30

Componentes

1 2 3 4 5 6 7

Betún B-200, %

86 84 86 86 86 86 86

Europrene 161 (BG.(SBS), %

8 - 8 8 8 8 8

Fracción fibrosa reciclada

- - - - - - 4

Mezcla de fibras originales, %

- - 4 - 2 -

Polvo de caucho

- 11 4 - - - -

Resultados recibidos

1 2 3 4 5 6 7

Punto de reblandecimiento, ºC

105 64 114,5 123,5 108,5 117 125

Penetración a 256ºC

59 56 45 37 42 43 49

Penetración a 50ºC

110 - 105 88 96 98 -

Agrietamiento en frío, ºC

-15 +8 -15 -15 -18 -15 -22

Puede observarse que el efecto adicional considerable puede alcanzarse con fibras obtenidas a partir del reciclado de objetos de caucho utilizados, modificados en la superficie, y este efecto no se produce mediante ninguna fibra sintética similar no tratada con caucho o caucho molido por sí misma. 5

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES
2. 1. Utilización del 1 al 15% en masa de una fracción fibrosa que se deriva del reciclado de componentes de neumáticos de caucho que presentan una longitud de fibra de 0,2 a 5 mm y un peso volumétrico de 150 a 200 g/l calculado con respecto a la masa bituminosa modificada con copolímero de SBS o SBR que va a aplicarse sobre el soporte en el transcurso de la fabricación de membranas de impermeabilización que obtienen una calidad mejorada. 5
3. 2. Utilización según la reivindicación 1, caracterizada porque la fracción fibrosa es una masa fibrosa que contiene del 5 al 70% de caucho molido recuperado y separado en el transcurso del reciclado de desechos de caucho, cuya masa fibrosa es típicamente una mezcla de celulosa, poli(tereftalato de etileno) (PET), poliacrilato y poliamida (PA 66).