ES2276607B1 - Proceso de reactivacion del caucho para su posterior aplicacion como modificador bituminoso. - Google Patents
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Abstract
Proceso de reactivación del caucho procedente de neumáticos fuera de uso libre de acero e impurezas, para su posterior aplicación como modificador de betunes asfálticos, consistente en romper la molécula de la que se compone el caucho vulcanizado para que su nueva estructura física interactúe a nivel macroscópico con los maltenos que forman parte del betún asfáltico. Mediante este proceso, el caucho es sometido a altas presiones y fuerzas de cizalladura en los tres ejes del espacio, generando fuerzas de tensión tridimensionales sobre un punto provocando la deformación en ese mismo punto hasta la rotura selectiva de los enlaces y destrucción de las cadenas, produciendo un polvo fino de carácter espongiforme con una densidad aparente muy baja, dotando esta partícula de una superficie específica muy elevada, lo que hace que el caucho así obtenido presente una alta capacidad de absorción.
Description
Proceso de reactivación del caucho para su
posterior aplicación como modificador bituminoso.
La invención se refiere a un procedimiento para
la reactivación del caucho procedente de neumáticos fuera de uso
para su posterior aplicación como modificador de betunes
asfálticos, ya sean estables o no, incluyendo los descritos como
betunes modificados con polímeros BMP en el artículo 215 del
PG-3.
En el año 1844, Charles Goodyear patentó el
caucho vulcanizado, y desde entonces pocos materiales descubiertos
posteriormente han ofrecido la resistencia del caucho a ser
reciclados.
El problema del caucho como residuo
prácticamente no biodegradable se vio agravado por la utilización
de éste en la fabricación de neumáticos y la evolución del
automóvil como medio de transporte. Esto ha motivado que el residuo
del neumático llegue a ser problema mundial de enormes
proporciones. Tan sólo en España se generan alrededor de 300.000
toneladas al año.
Actualmente, existen multitud de patentes de
sistemas de reactivación del caucho o procesos denominados como
desvulcanización, por los cuales el caucho vuelve a ser susceptible
de nueva vulcanización o polimerización, según sea el caso. Existen
también procesos de activación superficial y procesos de
regeneración del caucho en los cuales, a diferencia de los
anteriores, intervienen habitualmente modificadores y aditivos.
El carácter elástico del caucho vulcanizado
supone un grave obstáculo para su reciclado, pues a nivel molecular
tan sólo enlaza un porcentaje de < 1% de los centros reactivos
carbono-azufre, los cuales forman una sola molécula
con una entropía configuracional enorme en la que las cadenas se
encuentran unidas entre sí por enlaces de azufre. Por tanto, no
funde porque el entrecruzamiento mantiene unidas las cadenas
independientemente de la temperatura, y estas cadenas, a mayor
temperatura, más elásticas se tornan, haciendo imposible romper no
sólo las cadenas, sino también los enlaces que las fijan entre
sí.
Para poder romper la molécula de caucho debemos
tener en cuenta que éste carece prácticamente de capacidad de
deformación plástica. En el momento en que el caucho es elongado,
la entropía configuracional de su estructura se reduce y busca un
orden, por lo que para conseguir su deformación plástica se
requiere primero reducir su entropía mediante una gran elongación.
Por tanto, para poder reciclar el caucho por este método no basta
con ejercer una deformación tangencial, ya que sólo obtendríamos
resultados (en este caso, de rotura) en un solo eje del espacio (X),
produciendo, además, contracciones mínimas en los otros dos ejes
del espacio (Y, Z).
Así, bajo tensión uniaxial, las cadenas unidas
por los enlaces C-S se comportan como un gusano,
cambiando su configuración anisotrópica a un orden más adecuado,
sin que las distancias entre los enlaces varíen. Otro problema lo
presenta el hecho de que dichos enlaces C-S poseen
rotación interna, pudiendo adoptar diversos estados
configuracionales.
Además, todo intento de deformación del caucho
transformará la energía aplicada sobre él en restitución contraria
a la trayectoria aplicada, fenómeno conocido como resiliencia,
generando además gran cantidad de calor, hablaríamos de histéresis,
esto hace a su vez que cadenas y enlaces de la molécula se separen
aún más, otorgando al caucho mayor elasticidad.
Por ello, la invención que ahora se preconiza
consiste en un proceso que rompa la molécula haciéndola
susceptible, no sólo de nueva vulcanización, como podrían realizar
otros procesos ya conocidos, sino que sea capaz, por su estructura
física, de interactuar a nivel macroscópico con los maltenos que
forman parte del betún asfáltico.
El principal problema que presenta la
interacción caucho-betún es que en estas mezclas el
caucho vulcanizado sigue reaccionando con las fracciones más
volátiles del betún, incrementando notablemente la viscosidad por
encima de los niveles aptos para su posterior manipulación, haciendo
que el betún así obtenido tan sólo pueda permanecer estable al
almacenamiento unas horas. Esto obliga a muchas empresas fabricantes
de betún a modificar parte del betún con pequeños porcentajes de
caucho vulcanizado de granulometría muy fina, aditivando en todo
caso con otros productos para dotar a este betún de la estabilidad
necesaria, encareciendo notablemente el resultado final. Este hecho
obliga a que se realice dicha modificación con caucho vulcanizado
procedente de neumáticos fuera de uso de granulometría muy por
debajo de 1 mm., en la misma planta de aglomerado asfáltico, para
la posterior aplicación inmediata de este betún modificado mediante
los procedimientos conocidos como de vía seca, húmeda o mixta, que
combina ambos sistemas. Muchos son los beneficios que se obtienen de
la fusión del caucho y el betún, como son la mejora de la
resistencia a la fatiga y el envejecimiento, y su elasticidad le
permite ser utilizado tanto para membranas SAM como SAMI.
En cuanto a las características del betún
modificado con caucho, incrementa la viscosidad evitando el
escurrimiento; incrementa la elasticidad y la resiliencia a altas
temperaturas; incrementa considerablemente la viscosidad e
incrementa la pegajosidad.
Sobre la pavimentación, entre otras cualidades,
mejora la durabilidad, mejora la resistencia a la formación de
fisuras, mejora la resistencia a la oxidación del betún y
proporciona menores costes de mantenimiento.
Y en general, mejora la adhesividad árido
ligante, recicla residuo NFU, reduce la sonoridad del pavimento y
mejora la seguridad de la frenada en seco, entre otras.
La mezcla betún-caucho
vulcanizado se comporta como un coloide en la que el caucho absorbe
y fija los maltenos que constituyen las fracciones volátiles y
aromáticas del betún, por lo que los betunes con mayores porcentajes
de maltenos serán los más apropiados para la modificación, pues al
contener mayor porcentaje de hidrocarburos cíclicos (aromáticos y
nafténicos) producen mayor absorción por parte del caucho,
consiguiendo una mayor interacción betún-caucho,
reduciendo los tiempos de digestión e incrementando la
viscosidad.
El caucho vulcanizado presenta la retícula
cerrada y esto impide a dicha molécula absorber o interactuar con
cualquiera otra. El proceso objeto de esta invención, como ya
señalé en el apartado anterior, consiste en romper la molécula para
que su nueva estructura física interactúe a nivel macroscópico con
los maltenos que forman parte del betún asfáltico.
Mediante este proceso, el caucho es sometido a
altas presiones y fuerzas de cizalladura en los tres ejes del
espacio. Es decir, se generan fuerzas de tensión tridimensionales
sobre un punto provocando la deformación en ese mismo punto hasta la
rotura selectiva de los enlaces y destrucción de las cadenas.
El proceso descrito utiliza la energía cinética
producida por medios mecánicos para someter a la partícula de caucho
a dislocación por cizalladura a alta presión. Este doble efecto no
sólo produce la rotura o dislocación de los enlaces
carbono-azufre, sino que produce además la rotura
del retículo por escisión de sus cadenas, produciendo a su vez un
polvo fino de carácter espongiforme con una densidad aparente muy
baja y, por tanto, dotando esta partícula de una superficie
específica muy superior a la que pudiera proporcionar cualquier
partícula de caucho de similar tamaño obtenida por otros
medios.
En base a que el tiempo de reacción
caucho-betún es inversamente proporcional a la
superficie específica de contacto, cobra especial importancia no
sólo el tamaño de la partícula sino la superficie de contacto que
esta expone frente al betún. El producto así obtenido posee una gran
superficie específica de contacto que a misma granulometría
triplica en superficie especifica a la que pudiera obtenerse
mediante molienda criogénica.
El caucho así obtenido presenta una alta
capacidad de absorción (molécula abierta), facilitando una
posterior dispersión polimérica y dotando a ésta de una alta
reactividad frente a otros grupos polares.
Para realizar la activación se requiere
inicialmente caucho granulado procedente de NFU libre de acero e
impurezas. Esta granza deberá poseer tamaño adecuado al intersticio
a través del cual se le va a hacer pasar. Para ello se requiere que
esta granza presente una curva granulométrica con una baja
dispersión Gaussiana dentro de los parámetros exigidos, a fin de que
todas las partículas reciban las presiones por igual sin grandes
diferencias cuantitativas.
El proceso se inicia tras la dosificación
controlada con granza de caucho vulcanizado procedente de NFU, en
las condiciones descritas anteriormente. El producto entra en la
parte central de la máquina a través del orificio central del
estator distribuyéndose de forma uniforme por la superficie del
rotor debido a su forma central cónica. Los gránulos realizan
entonces un viaje hacia el exterior a causa de la fuerza
centrífuga, siendo aplastados repetidamente entre la estrecha
rendija que existe entre rotor y estator. Por su geometría
variable, esta rendija entre dientes se va reduciendo en la medida
en que alcanza la parte exterior del rotor-estator,
precisamente donde la granza, debido a la inercia de la fuerza
centrífuga, alcanza su máxima velocidad.
En este punto, el control de la temperatura de
trabajo en el interior de la máquina no debe superar los 125ºC para
no producir la degradación del caucho, por lo que se ha diseñado un
sistema de refrigeración por agua que mantiene la temperatura en el
interior de la máquina en los niveles óptimos.
El producto de salida, una vez reactivado, es
transportado neumáticamente, lo que proporciona la necesaria
aireación y refrigeración del producto para impedir que las
partículas puedan aglomerarse entre sí, fenómeno conocido como
auto-adhesión, formando grumos o concreciones. De
esta manera se facilita su manipulación para posterior selección de
las partículas que realmente han quedado activadas.
Posteriormente, y mediante un proceso de
selección, no sólo por tamaño granulométrico, sino por densimetría,
se establece qué partículas han quedado activadas y cuáles no,
debiendo estas últimas retornar de nuevo a la máquina de
proceso.
A través de un sistema previo de criba y
posterior de separación densimétrica, las partículas de caucho
activadas cuyo diferencial básico respecto de las que no lo están
radica en la diferencia de superficie específica, son separadas del
resto, garantizándose que el producto así obtenido tenga las
propiedades físicas de tamaño y peso específico requeridas para que
una posterior aplicación de este caucho como modificador del betún
surta el efecto deseado.
El proceso finaliza con el ensacado del
producto, una vez frío, en embalaje estanco.
Este proceso permite también en todo momento la
utilización de cualquier tipo de aditivos, tanto para acelerar el
proceso de reactivación como para obtener una mejora posterior de
las propiedades del mismo, pudiendo utilizarse activadores,
plastificantes, peptizantes, etc.
El análisis posterior del grado de reactivación
del caucho se realiza según el método ASTM
D-6814-2 mediante disolución del
mismo en solvente extrayendo la fracción soluble, calculando la
densidad molecular y obteniendo el porcentaje de desvulcanización
respecto al producto de origen, vulcanizado.
No hay que olvidar que los resultados de la
modificación bituminosa con este producto vendrán dados también en
base a una serie de factores externos al propio caucho reactivado.
Así, dependiendo de las características intrínsecas del betún
modificado que se deseen obtener, habrá que utilizar diferentes
porcentajes de caucho reactivado añadido a la mezcla, un tipo de
betún determinado con un grado u otro de penetración inicial.
Asimismo, los resultados posteriores vendrán dados además por otros
factores determinantes, tales como temperatura, tiempo de mezcla,
etc. que proporcionarán unos u otros resultados.
La mezcla de betún con polvo de caucho neumático
obtenido mediante este proceso de reactivación, proporciona, además
de las mejoras propias que ya se obtienen con caucho vulcanizado,
las siguientes:
- Mantiene la viscosidad en el tiempo dentro de
los límites establecidos por criterios SHRP (<300 mpa a 135ºC)
permitiendo una alta dosificación sin afectar al fenómeno del
escurrimiento.
- Presenta menor susceptibilidad térmica
proporcionando curvas con menor pendiente.
- Proporciona una enorme capacidad de dispersión
y homogeneidad de la mezcla, consiguiendo la compatibilidad y
estabilidad al almacenamiento, imposible de obtener mediante caucho
vulcanizado.
- Además, con este caucho reactivado procedente
de neumáticos fuera de uso se obtendrían los resultados que exige
la normativa respecto de los BMP del PG3 que se describen en la
normativa en tabla adjunta:
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Claims (5)
1. Procedimiento de reactivación del caucho para
su posterior aplicación como modificador de betunes asfálticos,
caracterizado por las siguientes fases:
a) Se inicia con la dosificación controlada con
granza de caucho vulcanizado procedente de neumáticos fuera de uso
libres de acero e impurezas.
b) Dicho producto se introduce en la parte
central de la máquina a través del orificio central del estator,
distribuyéndose de modo uniforme por la superficie del rotor.
c) Los gránulos realizan un viaje hacia el
exterior a causa de la fuerza centrífuga, siendo aplastados entre
el rotor y el estator.
d) El caucho se somete a altas presiones y
fuerzas de cizalladura en los tres ejes del espacio.
e) Finaliza con el ensacado del producto, una
vez frío, en embalaje estanco.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque consiste en romper la molécula de la
que se compone el caucho vulcanizado.
3. Procedimiento, según las reivindicaciones 1 y
2, caracterizado porque la temperatura en el interior de la
máquina no debe superar los 125ºC.
4. Procedimiento, según las reivindicaciones 1 a
3, caracterizado porque el producto, una vez reactivado, es
transportado neumáticamente para proporcionar la necesaria
aireación y refrigeración, evitando así que las partículas puedan
aglomerarse entre sí, facilitando su manipulación para la posterior
selección de las que realmente han quedado activadas.
5. Procedimiento, según las reivindicaciones 1 a
4, caracterizado por un sistema previo de criba y posterior
de separación densimétrica por el que las partículas de caucho
activadas cuyo diferencial básico respecto de las que no están
radica, precisamente, en la diferencia de superficie específica, son
separadas del resto, para así garantizar que el producto obtenido
tenga las propiedades físicas de tamaño y peso específico requeridas
para que la aplicación del caucho como modificador del betún tenga
efectos óptimos.
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