Revista
Ciencia e Ingeniería Neogranadina
Sistema
de Información Científica Redalyc
Red de Revistas Científicas de América
Latina y el Caribe, España y Portugal
Aplicaciones de caucho
reciclado: Una revisión de la literatura
Applications of reclycled rubber: A
literature review
Gabriel Jaime Peláez
Arroyave 1 gpelaez@sena.edu.co
SENA, Colombia
Sandra Milena Velásquez
Restrepo 2 smvelasquez@sena.edu.co
SENA, Colombia
Diego Hernán Giraldo
Vásquez 3 dhernan.giraldo@udea.edu.co
Universidad de Antioquia, Colombia
Aplicaciones
de caucho reciclado: Una revisión de la literatura
Ciencia e Ingeniería
Neogranadina,
vol. 27, núm. 2,
2017
Universidad
Militar Nueva Granada
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=91150559002
Recepción: 08 Agosto 2016
Aprobación: 14 Febrero 2017
Cómo
citar: Cómo
citar: G. J. Peláez Arroyave, S. M. Velásquez Restrepo y D. H.
Giraldo Vásquez, “Aplicaciones de caucho reciclado: una
revisión de la literatura,” Ciencia e ingeniería
Neogranadina, vol. 27, no. 2, pp. 27-50. DOI: http://
dx.doi.org/10.18359/rcin.2143
Resumen:
La generación de residuos de caucho se
ha convertido en una preocupación global por su impacto negativo en el
medio ambiente y en la salud humana. La legislación ambiental sobre la
disposición de este tipo de residuos ha venido aumentando las exigencias
a los fabricantes, comercializadores y usuarios, con lo cual se ha acelerado la
búsqueda de alternativas para el reaprovechamiento de los residuos de
caucho. Este artículo presenta una revisión bibliográfica
acerca de las principales tendencias en la utilización del caucho
reciclado, incluyendo aplicaciones actualmente comercializadas y otras
derivadas tanto de estudios terminados como de líneas de
investigación en desarrollo. Las aplicaciones con mayor potencial de
volumen consumido son del sector infraestructura y construcciones civiles,
especialmente asfaltos, concretos y materiales aislantes para
construcción liviana. Algunas aplicaciones con potencial en el futuro
cercano son los filtros para la limpieza de aguas contaminadas y como
componente en materiales compuestos con matriz termoplástica o en
poliuretano. Se evidencia la pertinencia de continuar investigando sobre esta
temática, que posee unos retos científicos de alta relevancia,
los cuales ameritan la mayor atención por el problema ambiental
significativo asociado al manejo de los residuos de caucho.
Palabras clave: caucho reciclado, residuos de caucho, llantas fuera de uso, impacto
ambiental, sostenibilidad.
Abstract: The generation of rubber waste has
become a global concern since they have strong negative impact on the
environment and human health. Legislation about disposal of this kind of
residue has raised its requirements to the industry, traders and users;
therefore the search for alternatives to reclaim rubber waste has been
considerably accelerated in recent years. This work presents a review on the
main tendencies of recycled rubber utilization, including both applications
currently commercialized as derived from finished studies or from ongoing
research lines. Applications with greatest potential in terms of consumed
volume are related to infrastructure and civil construction sector, specially
asphalts, concretes and isolators for lightweight construction. Some other
applications with potential in the near future are filters for polluted water
cleaning and as components in thermoplastic matrix composite materials or in
polyurethane composites. It is evident that intense research in this field must
be carried out seeking to face some relevant scientific challenges, which merit
major attention because of the significant environmental issue related to the
rubber waste management.
Keywords:
recycled rubber, rubber wastes, waste tires, environmental
impact, sustainability.
INTRODUCCIÓN
Los materiales elastoméricos, conocidos como cauchos en
la mayoría de países hispanoamericanos o como hules en otros,
presentan una elasticidad y resistencia química que los hace
insustituibles para llantas, calzado, tuberías, correas de
transmisión, piezas para sellamiento de fluidos, por citar los productos
en los que más se emplea el caucho como materia prima [1]. En 2014, el último
año del cual se cuenta con estadísticas consolidadas sobre el
mercado del caucho, el consumo mundial de esta materia prima fue de 28,9
millones de toneladas [2]; se estima que en 2015 la demanda mundial de caucho
aumentó un 0.7% respecto a 2014 y que entre 2016 y 2024 el consumo
aumentará un 3.1% anualmente en promedio [3] confirmando la tendencia
creciente del mercado observada en las últimas décadas [4].
Desafortunadamente, las cifras sobre tendencias del mercado del caucho son
reportadas esporádicamente por diferentes fuentes de información,
de tal manera que al momento no es posible contrastar información y
efectuar una evaluación cuantitativa consolidada sobre las tendencias
del mercado de este tipo de materiales.
Para comprender los retos asociados al reciclaje de caucho, es
pertinente tener en cuenta que los artículos en este material se
fabrican mezclando elastómeros con aditivos orgánicos de bajo
peso molecular, agentes vulcanizantes y cargas minerales en forma de partículas
finas. La mezcla en estado crudo es sometida a un proceso de vulcanización
en el cual se desarrolla una reacción química que forma una
estructura entrecruzada altamente elástica; a este tipo de material se
le denomina caucho virgen para diferenciarlo del caucho reciclado. La reacción
de vulcanización es térmicamente irreversible, por lo cual el
reciclaje de los cauchos debe realizarse por trituración
mecánica, métodos químicos o recuperación
energética [1], lo que implica grandes retos tecnológicos y
logísticos para alcanzar tasas de recuperación de residuos
compatibles con las necesidades actuales de mitigación de impacto
ambiental.
Considerando que entre el 65 y el 70 % del caucho producido en
el mundo es utilizado para la fabricación de llantas [5, 6], debe
tenerse en cuenta que cada año se generan aproximadamente 17 millones de
toneladas de llantas fuera de uso (LLFU). Dado que el total de caucho en una
llanta corresponde a entre el 41 y el 55 % de su peso, se tiene que entre 7 y 9
millones de toneladas de caucho provenientes de LLF se disponen cada año
a nivel mundial [7]. Para tener una idea del rápido crecimiento de esta
problemática en un país en vía de desarrollo como
Colombia, es pertinente indicar que en 2010 se dispusieron 42 mil toneladas de
caucho proveniente de LLFU [8], mientras que en 2015 se generaron alrededor de
100 mil toneladas [9]. Se trata, entonces, de uno de los principales problemas
asociados a la gestión de desechos sólidos en la actualidad
debido al efecto negativo directo que pueden traer sobre la salud humana y el
medio ambiente, ya que contaminan el suelo, el agua y el aire. Las LLFU no son
biodegradables y pueden constituir un ambiente favorable para reproducir
plagas, ratas, mosquitos, etc. [10], además de ser una potencial amenaza
de incendio con generación de humareda tóxica que puede arder
durante meses [11]. La Figura 1 muestra la tendencia de aumento de la demanda
mundial de caucho para la fabricación de llantas y la de
generación de desperdicios de caucho proveniente de LLFU en la Unión
Europea (UE).
La problemática asociada a la disposición del
caucho post consumo y post proceso hizo que los gobiernos comenzaran a
implementar de manera cada vez más decidida la formulación e
implementación de regulaciones orientadas a disminuir la
contaminación generada por este tipo de residuos. Es de destacar que
algunas de esas regulaciones incentivan a la industria para que utilice caucho
reciclado en sus procesos, tendencia en la cual Taiwán fue pionero en la
implementación de ese tipo de normatividad; posteriormente Estados
Unidos, Japón y los países de la UE incursionaron en este campo,
de tal manera que a hoy son las regiones con el mayor grado de desarrollo en
cuanto a legislación sobre esta temática. Para tener una idea de
la manera cómo ha evolucionado la normatividad en países como los
de la UE, vale la pena reportar que en 1999 se impuso la directiva 1000/31/EC
que prohíbe la disposición de LLFU enteras o trituradas en los
rellenos sanitarios, en el año 2000 apareció la directriz
2000/53/EC que estableció que las llantas de los autos deben ser
retiradas antes de que estos sean chatarrizados y en 2009 la regulación
1222/2009 estipuló el etiquetado y seguimiento de las llantas [14, 15].
Se evidencia entonces la pertinencia de actualizar las políticas sobre
la reutilización del caucho según las dinámicas del mercado,
teniendo siempre como objetivo disminuir el negativo impacto sobre el medio
ambiente si no se hace una disposición adecuada de este tipo de materiales
cuando terminan su vida útil primaria.
Se ha demostrado que el grado de desarrollo de la industria de
reciclaje del caucho en cada país está directamente ligado a la
legislación vigente [16], por lo cual se espera que como la normatividad
sobre residuos es cada vez más exigente entonces cada vez sea más
necesario encontrar alternativas para el uso de caucho reciclado. No basta con
fomentar la aplicación de las normas establecidas para la industria del
caucho y sus usuarios, sino que es necesario buscar aplicaciones en las cuales
se puedan emplear los residuos generados.
Las regulaciones para tratar de atenuar el efecto negativo
ambiental generado por los residuos de LLFU pueden ser clasificadas en los tres
modelos que se describen en la Tabla 1, en la cual también se indican
países que las han adoptado y el año en el que se implementaron
dichas regulaciones [14, 15, 17, 18, 19, 20, 21].
Dado que en los países desarrollados las regulaciones
sobre la disposición de estos desechos han venido tornándose
más estrictas con el paso de los años [8, 16], la
globalización ha conllevado a que países en vías de
desarrollo también adopten políticas ambientales cada vez
más exigentes, bien sea por consciencia ambiental o por exigencias de
los tratados de comercio que establecen con países desarrollados, o una
combinación de ambos factores. Continuando con el caso de un país
en vía de desarrollo como Colombia, hay que anotar que en el país
se implementó en 2010 la Resolución 1457 siguiendo el modelo de
Responsabilidad Extendida del Productor (REP) para la gestión de LLFU
[22], delegando a los productores e importadores que manejan más de 200
llantas al año la responsabilidad de implementar los sistemas de
recolección y gestión ambiental específicos para esta
clase de desechos. En esa normatividad se establece que a partir de 2012
debían recolectarse y gestionarse el 20 % de las llantas comercializadas
en el país, con incrementos anuales del 5 % hasta alcanzar un
mínimo del 65 % [8], meta que puede considerarse baja si se compara con
la meta del 95% del conglomerado de países de la UE y del 89 % de
Japón y los Estados Unidos [17,
23].
En aras de mejorar los índices de gestión sostenible de residuos
de LLFU, algunas administraciones locales han tomado medidas como la combinación
del modelo de REP con el modelo de impuestos, tal como el caso presentado por la
administración distrital de Bogotá con la expedición del
Decreto 442 de 2015, en el cual establece sanciones económicas a productores
y usuarios de llantas que incumplan con lo establecido en la Resolución
1457 [24].
Cabe resaltar que no ha transcurrido tiempo
suficiente como para evaluar el impacto de las políticas implementadas en
Colombia, pero puede inferirse que las administraciones locales deben esforzarse
por buscar mecanismos que sean pertinentes para sus necesidades, seleccionando alternativas
pero también considerando la combinación de modelos exitosos en
otras regiones. En otros países latinoamericanos, la gestión de
residuos provenientes de las LLFU no cuenta con una legislación específica
sino que las LLFU se integran a la gestión de residuos sólidos
especiales o peligrosos [25]. Desafortunadamente, en la literatura no se han
reportado estudios orientados a identificar si este abordaje genera mejores
resultados que tratar las LLFU con normatividades específicas, lo cual
permitiría contar con información confiable para seleccionar la
regulación más conveniente.
El panorama descrito evidencia la necesidad de continuar
buscando alternativas para el manejo de los desechos de caucho con el fin de
disminuir su impacto ambiental, y simultáneamente buscar alternativas
para que las empresas se acojan a la normatividad vigente en cada país.
Además, la reutilización de residuos de caucho puede derivar en
nuevas líneas de negocio para las empresas, o incluso en nuevos
emprendimientos, para lo cual la información presentada en este
documento puede proporcionar algunos criterios para los estudios de viabilidad.
La literatura publicada en los últimos años refleja un creciente
interés por ahondar en el estudio de posibles aplicaciones para residuos
de caucho, tanto para fabricar productos de bajo valor agregado como a la
obtención de artículos con altas especificaciones
técnicas. Se percibe un esfuerzo por incursionar en nuevas aplicaciones
y ampliar el abanico de posibilidades, por lo cual en este trabajo se presenta
una revisión sobre el uso de caucho reciclado en diversas áreas
de la industria.
Con el fin de comprender las presentaciones disponibles del
caucho reciclado y así posteriormente profundizar en las aplicaciones de
dicho material, lo cual constituye la temática central de este
artículo, se relacionan brevemente los principales métodos de
reciclaje de caucho identificados durante la revisión
bibliográfica realizada.
1. PRINCIPALES MÉTODOS DE RECICLAJE DEL CAUCHO
Los métodos de aprovechamiento de los residuos de caucho
se clasifican en procesos mecánicos, criomecánicos, termo-mecánicos
(molienda, mezclado de alta velocidad), químico-mecánicos (desvulcanización,
proceso criogénico de Trelleborg - TCR por sus siglas en inglés -,
hinchamiento en benceno), químicos (con reactivos orgánicos, e inorgánicos),
térmicos (en digestores, en autoclaves, en medios alcalinos, en medios
neutros, con acción de vapor de alta presión),
biotecnológicos, procesos con microondas y con ultrasonido [26, 27]. En
la mayoría de estos procesos, es necesario primero triturar el caucho
hasta reducirlo a gránulos de tamaño y forma regular, y de esa
manera facilitar que los aditivos químicos y agentes de expansión
reaccionen adecuadamente con la estructura vulcanizada, a la vez que se separan
más eficientemente las fibras de acero, textiles y aditamentos
metálicos que puedan estar presentes en el caucho que se procesa.
En el caso de los procesos de trituración, los
gránulos de caucho se comercializan en diferentes tamaños para
que el cliente final seleccione el que sea más adecuado a sus
necesidades. Si bien en la mayoría de las aplicaciones las propiedades
del caucho reciclado triturado no logran igualar las propiedades del caucho
virgen, el uso del primero presenta las siguientes ventajas respecto al caucho
virgen, adicionalmente a la ya mencionada disminución del impacto
ambiental cuando el caucho es reciclado [17, 28]:
·
El módulo elástico o la resistencia al hinchamiento
por solventes pueden ser superiores a las del caucho virgen [26].
·
Las actividades de reciclaje generan empleo, principalmente mano
de obra no calificada, especialmente en los países en vía de
desarrollo [28].
Una alternativa para el uso de caucho reciclado por
trituración mecánica consiste en incorporarlo a mezclas con
caucho virgen, en el cual este último actúa como matriz. El uso
de caucho triturado en mezclas caucho virgen-caucho reciclado, presenta algunas
ventajas respecto al procesamiento de caucho virgen, entre las cuales se
destacan:
·
·
Mayor procesabilidad por calandrado y extrusión: cuando
se fabrican artículos por estos métodos empleando mezclas de
caucho recuperado y caucho virgen, se requieren temperaturas menores que cuando
se procesa caucho virgen, lo cual facilita el proceso y aumenta la producción.
Además, como efecto de la fase gel entrecruzada en el caucho reciclado,
la mezcla presenta un comportamiento menos viscoelástico que el caucho
virgen, facilitando el control dimensional durante del procesamiento.
·
Mejoramiento de la vulcanización y la resistencia al
envejecimiento: el caucho reciclado impide la exudación del azufre que
se puede presentar en materiales recientemente vulcanizados o crudos.
Además, las mezclas que emplean caucho reciclado vulcanizan más
rápidamente que las de caucho virgen, economizando tiempo y
energía durante el proceso de vulcanización [27, 29].
Cuando el reciclaje se realiza por métodos
químicos, biotecnológicos o por microondas, el resultado de los
procesos son compuestos que pueden ser usados en las aplicaciones que se
describen posteriormente en este documento.
Algunos estudios muestran que, bajo las condiciones adecuadas,
la utilización de caucho obtenido a partir de LLFU recicladas o
artículos genéricos fabricados con caucho (general rubber goods)
[15, 30] no es perjudicial ni para la salud humana ni para el medio ambiente
[31], características funcionales que son atractivas para fomentar su
uso.
2. APLICACIONES DEL CAUCHO RECICLADO
Por los desafíos técnicos y económicos
inherentes a los procesos de reciclaje de los cauchos, hay que advertir que
infortunadamente la generación de desechos de residuos de caucho excede
sus usos potenciales [16], pero a pesar de la complejidad de algunos de los
procesos de reciclaje de caucho, es tan necesario encontrar soluciones que se
siguen buscando aplicaciones para este tipo de desechos.
La búsqueda por nuevas aplicaciones para el caucho
reciclado debe orientarse a obtener productos con mayor valor agregado, para
que esta alternativa planteada sea económicamente atractiva, tenga
mayores posibilidades de comercialización y consecuentemente al aumentar
los volúmenes de utilización de caucho reciclado, se disminuya el
impacto ambiental de la disposición de los residuos de caucho, como se
ha resaltado insistentemente en este documento. Las principales aplicaciones
para el caucho reciclado reportadas en la literatura se presentan en la Tabla
2.
En el estado del arte presentado en este trabajo no se considera
la incineración de residuos de caucho para producir vapor, electricidad
o usarlos como combustible para hornos de cemento, puesto que se trata de
alternativas técnicamente viables pero que exigen un alto capital de
inversión y por lo tanto sólo está al alcance de grandes
corporaciones u organismos multilaterales. Otra alternativa no considerada en
este trabajo es la recuperación del negro de humo presente en residuos
de caucho, lo cual disminuye los costos de los procesos de corte y
trituración pero es un proceso que genera negro de humo más
costoso y de menor calidad que aquél que proviene de la
refinación del petróleo; además, se tiene el agravante de
que la incineración de las LLFU exige equipos altamente especializados y
costosos para evitar que se genere un efecto nocivo en el medio ambiente e
implica buscar alternativas para el uso de los otros componentes de las
formulaciones de caucho.
A continuación se describen las aplicaciones del caucho
reciclado que constituyen una alternativa tanto para pequeñas y medianas
empresas como para grandes empresas.
2.1
CONSTRUCCIÓN E INFRAESTRUCTURA
El caucho reciclado puede ser utilizado como componente de
pavimentos y concretos para la construcción de vías y
edificaciones. Emplear residuos de caucho en este tipo de aplicaciones
representa, además de las importantes ventajas ambientales y
económicas expuestas previamente, mejoras técnicas en este tipo
de productos, tales como el incremento de la resistencia al impacto y la
resistencia a la fatiga, acarreando sin embargo algunas pérdidas en
propiedades como el módulo elástico y la resistencia a la
compresión [32, 33, 34, 35]. Debido a lo anterior, el uso de caucho
reciclado en concretos y pavimentos presenta retos económicos,
ecológicos y técnicos que actualmente son tema de interés
[33]. En el sector de la construcción también se utiliza el
caucho reciclado para la fabricación de pisos antideslizantes, bases de
tapetes, compuestos impermeables para techos y paredes. El asfalto modificado
con caucho ha servido como base para pistas de hípica, drenajes de
subsuelo y acondicionadores de suelo [36, 37, 38].
En una investigación orientada a la modificación
de asfalto para pavimentos se evaluó un sistema de polietileno lineal de
baja densidad (LLDPE) con caucho reciclado triturado (CRT) [39], en el cual se
realizó un proceso de desvulcanización dinámica del CRT
durante el mezclado de ambos componentes en extrusora de doble husillo. Posteriormente,
se llevó a cabo un nuevo proceso de vulcanización dinámica
sobre la mezcla, para luego ser incorporada en asfalto. Según los
autores, el proceso de desvulcanización durante el mezclado en extrusora
permite mantener casi completamente la elasticidad original del caucho y mejora
su dispersión en la matriz termoplástica, y a su vez, el proceso
posterior de vulcanización mejora las interacciones entre las
partículas de caucho y la matriz de LLDPE, lo que aumenta el
desempeño de propiedades del asfalto modificado tales como la
sensibilidad térmica y la resistencia a la penetración.
En otro estudio se investigó experimentalmente la
posibilidad de incorporar caucho reciclado proveniente de LLFU a mezclas de
concreto compactado con rodillos para pavimentos; los resultados mostraron que
mediante este proceso es posible obtener un compuesto con mejores propiedades
de consistencia, ductilidad y resistencia al agrietamiento y menor densidad
específica y absorción de agua, pero algunas propiedades
mecánicas disminuyeron. Los autores proponen que este nuevo material
podría ser utilizado en vías de bajo tráfico, caminos
rurales y amplias áreas para pedestres [11]. Otros estudios han mostrado
que la incorporación de caucho reciclado triturado también es
factible en matrices de cemento Portland, así como mezclas ligantes usadas
para construcciones con ladrillos y concreto. Sin embargo, en la mayoría
de las investigaciones se ha mostrado que a pesar de la reducción de densidad
y la mejoría en propiedades de resistencia al impacto, tenacidad,
ductilidad y aislamiento acústico, también se pueden generar una
disminución en propiedades como resistencia a la compresión y a
la tracción [10], evidenciando la necesidad de continuar buscando soluciones
para superar este tipo de inconvenientes. Yilmaz y Degirmenci [40]
desarrollaron un compuesto de cemento Portland al que se incorporó caucho
reciclado molido y cenizas provenientes de la quema de carbón, y lo
evaluaron experimentalmente mediante ensayos de flexión,
compresión y absorción de agua. Los resultados mostraron que se
logra atenuar la reducción en las propiedades de compresión
generadas por la incorporación de partículas de caucho reciclado
molido si simultáneamente se incorporan cenizas a la formulación,
confiriéndole a la mezcla un mayor rango de aplicaciones potenciales en
el sector de la construcción.
Otro compuesto desarrollado para este tipo de aplicaciones es el
concreto con incorporación de agregados de caucho reciclado reforzado con
fibras de acero. Este compuesto mostró que cuando se utiliza una
proporción óptima de caucho reciclado y simultáneamente
fibras de acero, se puede obtener un concreto viable para el uso en
aplicaciones de ingeniería civil ya que continúa presentando las
buenas propiedades de ductilidad y tenacidad de la mezcla original, con
consecuencias menos drásticas sobre la resistencia a la
compresión y a la flexión [41].
En las grandes ciudades, son cada vez más importantes los
sistemas de aislamiento sísmico, que generalmente están
constituidos de materiales de gran tamaño, peso y alto costo dado que se
trata de estructuras constituidas por placas de acero exteriores unidas por
placas reforzantes interiores elastoméricas. En el caso de grandes
construcciones es más fácil financiar los altos costos de este
tipo de sistemas aislantes, sin embargo, los costos son inviables en el caso de
construcciones livianas, por lo que conviene buscar materiales que
desempeñen esa función con un menor impacto económico. Un
estudio demostró que soportes de amortiguación de vibraciones reforzados
con fibras y con placas interiores de caucho reciclado como elastómero,
podrían desempeñarse como sistemas de aislamiento sísmico
eficientes en construcciones livianas (residenciales o comerciales de baja
altura). Mediante cálculos teóricos y pruebas experimentales los
autores demostraron que dichos materiales pueden mantener la estabilidad de la
estructura aceptando un mayor desplazamiento lateral y aumentar la razón
de disipación de energía, haciendo potencialmente viable su
utilización en este tipo de edificaciones [42].
De la revisión de la literatura se infiere que en el área
de construcción e infraestructura existen alternativas viables y económicamente
atractivas para los residuos de caucho, lo cual constituye una posibilidad en
países como Colombia que viven un crecimiento significativo de la
industria de la construcción [43] o en la recuperación de
vías terciarias, las cuales comprenden alrededor del 70 % de la red vial
del país [44]. Para impulsar decididamente el uso de caucho reciclado en
ese tipo de aplicaciones es de vital importancia la adecuada
capacitación del recurso humano directamente involucrado, el acatamiento
de la legislación ambiental y de buenas prácticas de manufactura
[22] así como la evaluación de requisitos técnicos
pertinentes que otorguen seguridad para la aplicación de estos residuos,
desafíos que deben ser abordados a corto plazo.
En la actualidad el ruido potencialmente contaminante representa
un serio y complejo problema, debido a la necesidad de contar con ambientes
sanos y con la menor contaminación acústica posible, de tal
manera que actualmente se buscan materiales delgados, livianos y de bajo costo
que absorban ondas acústicas en amplias frecuencias. En algunos estudios
se ha evaluado la capacidad de absorción acústica de
partículas de caucho reciclado, mostrando la potencial aplicación
de este material en esta área [45].
Algunos autores han concluido que se pueden usar materiales compuestos que
contienen partículas de caucho reciclado para aplicaciones donde se
busque absorción acústica, debido a la capacidad comprobada del
caucho para absorber sonido de baja frecuencia, de tal manera que si se
complementa con un material que absorba ondas acústicas de alta
frecuencia se tendría una importante barrera contra el ruido utilizando
materia prima de alta disponibilidad y bajo costo [46], además de
desempeñarse igual o incluso mejor que muchos de los materiales que se
comercializan actualmente para este tipo de productos [47].
2.2
CUIDADO Y RECUPERACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE
En lo concerniente al cuidado y recuperación del medio
ambiente, se ha demostrado la utilidad del caucho reciclado como componente
para la fabricación de techos verdes, como adsorbente de sustancias
tóxicas presentes en soluciones acuosas, en sistemas de
filtración y limpieza de aguas residuales y derrames y como componente
de celdas de combustible. A continuación se describen estas aplicaciones
con mayor detalle.
Los techos ecológicos, también conocidos como
techos verdes, son llamados de esta manera por el hecho de que cuando se cubren
con vegetación se facilita un medio de crecimiento para las plantas y se
tornan de color verde [48]. Al evaluar la configuración de esas
estructuras desde la capa exterior hacia la interior, se encuentra que
están compuestas de vegetación, sustrato, filtro, drenaje,
protección, barrera de raíces y una capa impermeable; sin
embargo, los materiales usados normalmente no son amigables con el medio
ambiente pues se trata de termoplásticos como polipropileno,
polietileno, poliésteres y PVC [49]. En la mayoría de las
configuraciones, la capa de drenaje está compuesta de agregados de
materiales de arenisca, principalmente puzolana, cuya extracción,
procesamiento y disposición final genera un gran impacto medioambiental
haciendo pertinente sustituirlas con materiales con menor impacto ambiental,
tales como caucho reciclado triturado conllevando además a una
considerable disminución del peso del techo [50, 51]. Un análisis
del ciclo de vida completo de los techos verdes con caucho reciclado
encontró que el uso de este tipo de materiales tiene un impacto
ambiental hasta 7 % menor en relación a aquellos techos que utilizan
materiales convencionales, como la puzolana [52].
El caucho de las LLFU ha probado ser un medio interesante y
económicamente atractivo para la absorción de contaminantes
tóxicos provenientes de soluciones acuosas. Además, la
conversión de LLFU en carbón activado para uso potencial en
tratamientos de aguas desechadas con presencia de contaminantes tóxicos
posee un componente social bastante atrayente. Esto no sólo provee un
método para el manejo de los residuos sólidos generados sino que
también reduce en gran medida el costo de producción de este tipo
de adsorbentes. Entre el 25 y el 30 % del peso de una llanta está constituido
por negro de humo, que a su vez posee un contenido de entre 70 a 75 % de
carbono [53]. Este adsorbente carbonáceo obtenido de la pirolisis de
LLFU es bastante similar al carbón activado y mediante tratamiento con
calor y sometimiento a atmósferas de dióxido de carbono o vapor
se puede lograr la activación de su superficie, aumentando su área
superficial y porosidad y, consecuentemente, mejorando su comportamiento como
adsorbente [54].
Algunos estudios han demostrado la aplicación exitosa de
los desechos de caucho proveniente de LLFU como adsorbentes para varios tipos
de contaminantes, entre los cuales se encuentran derivados del petróleo
como xileno y tolueno [55], colorantes [56], pesticidas [57], fenoles [58],
iones metálicos como el cobre de valencia II [59], el cromo de valencia
IV [60], mercurio [61], cadmio [62], plomo [63] y níquel [54].
Un nuevo sistema de filtración para tratar aguas
residuales de lastre desarrollado con caucho triturado filtra efectivamente los
contaminantes presentes en este tipo de aguas, con menor obstrucción en
relación a los filtros de arena, y, además, con mejor capacidad
de adsorción orgánica y mayor área superficial [64],
tornándose como un material promisorio para este proceso de
filtración.
Las celdas de combustible microbianas son una aplicación
que gana cada vez más terreno dentro de las tecnologías de
generación de energía, sin embargo, actualmente poseen retos como
la reducción del costo de sus materiales para poder viabilizar su
producción a gran escala y ampliar su aplicabilidad. Los materiales
convencionales incluyen gránulos de grafito, papel, mallas y telas de
carbón y carbón activado, los cuales poseen costos entre 50
US$/m2 y 1000 US$/m2, haciendo inviable su uso a gran escala [65]. En un
estudio realizado por Wang et. al [63] se evaluó la factibilidad del uso
de caucho reciclado granulado con un recubrimiento conductor como ánodo
de celdas de combustible microbianas. Los autores encontraron que las
partículas de caucho reciclado provenientes de LLFU presentan buena
conductividad cuando son recubiertas con 2 a 4 capas de grafito, su área
superficial es mayor a la de los gránulos de grafito lo que favorece la
fijación de microbios en su superficie y los costos de este tipo de ánodo
son mucho menores a los de los materiales convencionales, ya que cuestan entre
0,71 US$/m2 y 1,42 US$/m2 con el proceso de recubrimiento incluido,
evidenciando la potencial aplicación del caucho en este tipo de
tecnologías.
Se han patentado compuestos de matriz polimérica de poliuretano
y caucho reciclado, en el cual la matriz está constituida por
poliuretano [66, 67, 68], encontrando que una interesante aplicación de
este tipo de compuestos, pero que hasta el momento sólo ha sido probada
a escala de laboratorio, es la fabricación de bandejas flotantes con
plantas para que las raíces efectúen tratamiento de aguas de lagos,
estanques y cuencas contaminados por desechos de la industria minera [69].
Existen algunas resinas absorbentes que se usan para limpiar el agua
cuando hay derrames oleosos durante el transporte de diversos componentes de la
industria petrolera, sin embargo, su uso es bastante limitado principalmente
debido a sus altos costos. Wu y Zhou [70] utilizaron partículas de
caucho triturado reciclado (CTR) para realizar un proceso de mezclado con un
monómero de 4-tert-butilestireno a través de una reacción
de copolimerización por injerto, fabricando absorbentes de compuestos
oleosos. Los materiales desarrollados absorben eficazmente el crudo de acuerdo
con la norma ASTM F726 [71], y aunque mostraron un desempeño un poco
inferior a los productos comerciales utilizados para este fin, sus costos son
significativamente más bajos lo cual compensaría la falencia
mencionada anteriormente.
2.3
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA PARA USOS DIVERSOS
Una forma de reciclaje de caucho proveniente de LLFU que parece
bastante promisoria es su incorporación en forma de material particulado
en matrices poliméricas para obtener materiales compuestos, los cuales son
bastante apetecidos en la industria actual debido a que combinan propiedades de
ambos componentes para obtener materiales con propiedades intermedias o
sinergia de las mismas en el producto final. Cada tipo de industria tienen una
motivación diferente para emplearlos, de tal manera que en los
termoestables se busca mejorar la tenacidad, en los termoplásticos el
objetivo es obtener elastómeros termoplásticos, mientras que la
industria del caucho trata de encontrar cargas de relleno de menor costo [17].
En la actualidad se fabrican de manera exitosa pedales y
volantes de automóviles empleando compuestos de polipropileno/caucho
reciclado proveniente de desechos de LLFU. Algunos investigadores han realizado
estudios donde han tratado los residuos de caucho con bitumen para mejorar las
propiedades de alargamiento a la rotura, estabilidad térmica y procesabilidad
de los compuestos de matriz de PP con incorporación de dicho residuo [72].
Al-Malki y colaboradores [73] realizaron mezclas de polietileno
de alta densidad (HDPE) con caucho de LLFU reciclado triturado (CLRT) y de HDPE
con caucho polibutadieno (PB) virgen, y compararon las propiedades
mecánicas y reológicas de las mezclas. El comportamiento
mecánico del CLTR fue muy similar al del PB virgen en la matriz de HDPE,
lo cual representa una oportunidad para el uso de caucho reciclado en ese tipo
de matrices.
A pesar de ser un campo promisorio para la utilización de
residuos de caucho, la incorporación de CRT en matrices
poliméricas vírgenes plantea un reto que aún es objeto de
estudio: la compatibilidad entre los componentes. Una solución estudiada
es el uso de adhesivos, principalmente resinas termoestables y matrices
termoplásticas para mejorar la compatibilidad de las partículas
de CRT con la matriz, pero el desempeño que se ha obtenido no es
aún el más apropiado. Ante esta dificultad, una alternativa es la
modificación de la superficie de las partículas de CRT para crear
puntos específicos de interacción entre las fases y así mejorar
la transferencia de cargas desde la matriz hacia la fase de caucho, lo cual a
su vez ayuda a la mejora de algunas propiedades mecánicas. Estas
modificaciones pueden obtenerse a través de medios
físico-mecánicos o químicos, siendo la activación
superficial, la desvulcanización, la vulcanización dinámica
y la compatibilización algunos de los procesos más utilizados
para este fin [39, 74, 75].
Mészáros, Bárány, & Czvikovszky utilizaron
tratamiento de irradiación de alta energía para activar la
superficie de partículas de CRT con la intención de mejorar su
compatibilidad con una matriz de polietileno lineal de baja densidad (LDPE) y etilen-vinil-acetato
(EVA). La evaluación de las propiedades mecánicas mostró que
para una composición fija de LDPE/EVA/CTR, el aumento en la cantidad de energía
irradiada sobre los compuestos incrementa la resistencia a la tracción,
la deformación de ruptura, la dureza Shore D y la tenacidad del
compuesto. Los mejores desempeños observados en estas propiedades son
atribuidos a la acción de la energía irradiada sobre las
partículas de CTR, que activa algunas zonas localizadas de la superficie
de las partículas de caucho en las cuales se forman enlaces químicos
entre el caucho, el EVA y el LDPE [76].
Lima y colaboradores [77] demostraron que la incorporación
de CTR en matrices termoplásticas es una alternativa viable para darle una
aplicación de valor agregado a los residuos de este tipo. Los autores
evaluaron experimental y teóricamente las propiedades reológicas de
mezclas ternarias de caucho etileno propileno (EPR)/CTR en matriz de
polipropileno (PP) y encontraron que la inclusión de una fase elastomérica
como el EPR, de baja viscosidad y alta afinidad con los demás componentes,
mantiene un comportamiento pseudoplástico en el compuesto y permite
contrarrestar el aumento en la viscosidad de la mezcla causado por la presencia
de las partículas de CTR, confiriéndole procesabilidad adecuada
para el moldeo por inyección que permite obtener piezas con mayor valor agregado.
Otra potencial aplicación para los compuestos de
poliuretano y caucho reciclado mencionados en secciones anteriores es la
fabricación de boyas flotantes capaces de soportar grandes compresiones
entre embarcaciones y muelles mientras los barcos están atracados [69].
Los autores sintetizaron el compuesto a nivel de laboratorio y las pruebas
realizadas con los prototipos del producto final determinaron que el
desempeñó fue satisfactorio.
En el sector calzado también se ha visto una probable
aplicación del compuesto poliuretano/caucho reciclado. En la patente de Panaroni
y McLellan [78], se propone la mezcla de partículas secas de caucho
reciclado provenientes principalmente de LLFU pos consumo con poliol e isocianato
para formar un precursor de poliuretano con alta resistencia al desgaste, adecuado
para la fabricación de suelas y capelladas de botas.
Duan y Stammler [79] patentaron la invención de una
dispersión acuosa compuesta de un pre polímero de poliuretano aniónico
empleando partículas de caucho reciclado como agente entrecruzante. Dicho
compuesto presenta propiedades adhesivas, buena resistencia al agua,
estabilidad a bajos pH y buena resistencia térmica, lo que según
los inventores, hace viable la utilización de dichos adhesivos en el
sector calzado.
3. CONCLUSIONES
En este trabajo se efectuó una revisión sobre las
principales aplicaciones de caucho reciclado, siendo las LLFU la principal
fuente de este residuo. Si bien el reciclaje y la utilización de estos
materiales implican retos tecnológicos significativos, y en algunas
condiciones los costos de implementación son altos, la necesidad de
disminuir su impacto ambiental ha impulsado la realización de estudios
sobre nuevas aplicaciones para ese tipo de desperdicios que viabilicen su uso
desde el punto de vista económico y técnico.
Los países de la Unión Europea, Japón y
Estados Unidos tienen el mayor desarrollo tecnológico y en
legislación sobre la temática, pero independientemente del grado
de desarrollo que tenga una región en esos dos ámbitos, hay que
buscar alternativas para el caucho reciclado que permitan a los productores y
comercializadores cumplir con las regulaciones sin afectar su rentabilidad, o
generar nuevas líneas de negocio e incluso nuevos emprendimientos.
El reciclaje energético o la recuperación del
negro de humo presente en las LLFU requieren de grandes inversiones en
infraestructura y sistemas de control de emisiones, por lo cual este estudio se
centró en aplicaciones viables para medianas y pequeñas empresas,
bien sea de países desarrollados o de países en vía de
desarrollo.
Uno de los principales campos potenciales de aplicación
para los residuos de caucho es utilizarlos como modificadores de pavimentos y
concretos, mejorando algunas propiedades como liviandad y ductilidad, pero debe
tener en consideración que algunas características funcionales
tales como la resistencia a la compresión y a la flexión
disminuyen cuando se agrega ese tipo de desechos. Se identificaron
líneas de investigación con posibilidades de generar alto valor
agregado, como el uso de caucho reciclado en sistemas de adsorción de
contaminantes en medios acuosos, techos ecológicos y fabricación
de celdas de combustible para generación de energía, si bien
aún están en fase de investigación. El uso de caucho
reciclado en mezclas con caucho virgen presenta algunas ventajas
tecnológicas, ambientales y sociales con respecto al uso de caucho
virgen, tales como menor costo, mayor facilidad en algunos procesos como
calandrado y extrusión, mayor eficiencia en el proceso de
vulcanización, y reducción de consumo de energía.
El desarrollo de elastómeros termoplásticos que
utilicen caucho reciclado parece ser un campo bastante promisorio por la
pertinencia de obtener materiales con las principales propiedades de los
elastómeros pero con la facilidad de procesamiento de los
termoplásticos, aunque aún se encuentra en fase de
investigación y actualmente existen pocos productos comerciales de esta
clase. La utilización de caucho posconsumo como componente para la
fabricación de materiales compuestos con diversos tipos de poliuretano
posee un gran potencial para la producción de componentes de la
industria del calzado, tales como suelas, capelladas y adhesivos, lo que
podría favorecer a una industria como el sector del calzado que debe
buscar alternativas para disminuir costos de producción. Adicional a
esto, se considera que el caucho reciclado puede ser utilizado para una gran
diversidad de aplicaciones ornamentales.
Los productos fabricados con caucho reciclado presentan en
términos generales un desempeño inferior al de los que utilizan
cauchos vírgenes, y para reducir esta diferencia es necesario mejorar la
compatibilidad del caucho reciclado con las matrices a las cuales se adiciona.
Para mejorar la compatibilidad se ha avanzado en la modificación de las
partículas de caucho a través de métodos químicos y
físico-mecánicos.
Se detectó que la mayoría de los estudios reportados
se enfocan en la evaluación de propiedades mecánicas y muy pocos
abarcan los temas de la procesabilidad, un factor fundamental para el
desarrollo de productos con alto valor agregado . Se detectaron además
falencias en investigaciones referentes a las propiedades térmicas,
propiedades de largo plazo, de hinchamiento y dinámico-mecánicas
de los cauchos reciclados y compuestos fabricados con ellos.
Es de resaltar que el estudio realizado permitió evidenciar
cómo se viene investigando en una temática con unos retos científicos
de alta relevancia, pero que ameritan la mayor atención por el problema
ambiental significativo asociado al manejo de los residuos de caucho.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Sistema de Investigación,
Desarrollo Tecnológico e Innovación (SENNOVA) por la
financiación del proyecto “Desarrollo de materiales compuestos con
residuos de caucho reciclado para el sector calzado, construcción
liviana y decoración”, que permitió la elaboración
de este trabajo.
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Notas de autor
1 Ingeniero de Materiales,
Magíster en Ciencia e Ingeniería de Materiales. Investigador del
Centro de Diseño y Manufactura del Cuero del SENA. Grupo BIOMATIC -
Biomecánica, Materiales, TIC, Diseño y Calidad para el Sector
cuero, plástico, caucho y sus cadenas productivas. Itagüí,
Colombia, gpelaez@sena.edu.co
2 Bioingeniera, Magíster
en Ingeniería, Especialista en Gerencia. Líder de Innovación
y Desarrollo Tecnológico del Centro de Diseño y Manufactura del
Cuero del SENA Grupo BIOMATIC - Biomecánica, Materiales, TIC,
Diseño y Calidad para el Sector cuero, plástico, caucho y sus cadenas
productivas. Itagüí, Colombia, smvelasquez@sena.edu.co
3 Ingeniero Mecánico,
Magíster en Ingeniería. Profesor del programa de
Ingeniería de Materiales de la Universidad de Antioquia. Grupo de
Materiales Poliméricos. Medellín, Colombia,
dhernan.giraldo@udea.edu.co
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