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Natural residues use for natural rubber reinforcing

Uso de residuos naturales para el refuerzo de caucho natural

Giovanni Barrera T.1, Aldo E. Job2, Jairo Madrigal A.3 1gbarrerat01@gmail.com, 3jairo.madrigal@gmail.com

1,3Instituto Tecnológico Metropolitano Medellín – Antioquia

²Universidade Estadual Paulista Prudente – Brasil

Artículo de Investigación

Abstract

In the late twentieth century it became important to use polymer blends outperforming the development of new chemical structures with the need to preserve the environment, it leads inexorably to the industry towards recycling of polymeric materials and the use of residues for composites design. The use of waste sugar cane bagasse is due to the fact that it is an abundant and renewable organic waste in Brazil. A mixture with natural rubber was conducted, the results were very encouraging, because of its good physical and mechanical response, is a promising material for industrial use.

Keywords: sugarcane ash, natural rubber, Eco-materials. Resumen

A finales del siglo XX se hizo importante el uso de mezclas de polímeros superando al desarrollo de nuevas estructuras químicas con la necesidad de preservación del medio ambiente, se conduce inexorablemente a la industria hacia el reciclaje de materiales poliméricos y al uso de residuos para diseño de compuestos. El uso de residuos de bagazo de caña de azúcar se debe al hecho de que es un residuo orgánico abundante y renovable en Brasil. Se realizó una mezcla a partir de caucho natural y ceniza del bagazo de la caña de azúcar. Los resultados fueron muy alentadores, debido a su buena respuesta física y mecánica, es un material prometedor para el uso industrial.

Palabras Clave: residuos naturales, blendas poliméricas, eco-materiales.

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 156-164, 2017

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción

Esta publicación es el resultado del proceso de investigación doctoral realizada en el área de física de los materiales en la Universidad Estadual Paulista UNESP. Está dirigida de tal forma que el público identifique como el diseño industrial tiene la amplia gama de posibilidades de entrar a hacer parte de grupos multidisciplinares. En éste caso durante el proceso de obtención de los residuos naturales en un proceso productivo específico. Fue analizada la producción de las usinas alcoholeras en la región del estado de São Paulo en la cual es abundante el cultivo de la caña de azúcar.

Por la razón mencionada, entre otras, es explorada la búsqueda de una solución funcional a los residuos producidos en este tipo de factoría [1]. En la extracción de líquidos al bagazo de caña de azúcar son originados varios tipos de residuo, entre los cuales están concentradas morfologías tales como, fibras largas, fibras cortas, material en forma de partículas de diferentes tamaños, morfologías y composición [2] química. Con estos residuos se tiene infinidad de alternativas de uso, las cuales serán propuestas en torno a un uso y proceso de fabricación determinado. La aplicación final de los compuestos desarrollados depende de factores que inciden en la unión interfacial de los componentes, los más conocidos son el proceso de conformación, la selección el polímero o de los polímeros para la mezcla... entre otros aspectos.

Con el residuo seleccionado para el proceso de mezcla es realizado un proceso minucioso de caracterización con el uso tecnologías apropiadas, es así que se puede identificar el potencial de la CBC en cuanto a propiedades térmicas, a las propiedades mecánicas y físicas [3], de tal modo se posibilita visualizar como podría ser el comportamiento del compuesto luego de la mezcla con el caucho natural seleccionado. Fue estudiada una publicación previa donde la CBC fue adicionada parcialmente al caucho con mudanzas satisfactorias [4], luego de conocer la influencia, fue decidido hacer la mezcla de CBC com o CN sin otros aditivos, a parte de los agentes de vulcanizado.

Posteriormente se muestra el resultado final de obtención del material por medio de un proceso especifico (Figura 1), es originado un elastómero con propiedades nuevas, utilizando sistemas naturales que antes eran llamados residuos, ahora a través de esta investigación será analizado su impacto como un posible material particulado de refuerzo. Con el material obtenido, será posible identificar que propiedades fueron modificadas en el caucho. También conocer la influencia en el compuesto, a través de la caracterización física, química y mecánica, para permitir en una instancia final realizar diseño industrial; con el conocimiento previo del material obtenido, con la óptica hacia la protección del medio ambiente y del consumidor (Figura 2).

Figura 1. Proceso de Obtención de los compuestos

estudiados

Figura 2. Almacenamiento de los residuos generados en una

planta sucro alcoholera

2. Metodología

Fue revisada la literatura reciente con la cual se precisó conducir la investigación [5], factores tales como: los elastómeros, las aplicaciones [6], y con este nuevo conocimiento hallar el camino para que el residuo en estudio en una de sus formas primarias, en este caso de partículas, tenga la opción de ser empleado con un elastómero como refuerzo. Al mismo tiempo se debe contemplar a los posibles procesos de caracterización y fabricación. Los materiales utilizados para esta investigación son: el caucho natural extraído del látex de seringuera Hevea Brasiliensis, RRIM 600 tipo crepe claro brasilero y la ceniza en forma de partículas derivada de bagazo de la caña de azúcar.

El método de preparación de la mezcla entre residuo de caña de azúcar y el caucho natural fue el siguiente: primero se precisó saber el tiempo y la temperatura con la cual debería ser procesado, para esto se utilizó la técnica de reometria de discos oscilatorios. La técnica de reometría fue empleada para determinar el T90 (tiempo óptimo para el proceso de vulcanización). Posteriormente fue realizada la mezcla en el mezclador abierto de rodillos marca MAKINTEC donde fueron mezclados los agentes de vulcanización (Tabla 1) junto con el caucho natural. La formulación básica presentada el agente de cura azufre, fue sustituido por dissulfeto de tetrametiltiuram (TMTD) que actúa como acelerador y donador de azufre en el proceso de cura.

Posteriormente la masa obtenida fue moldeada por termo prensión, a una temperatura de 150 oC, un tiempo de presión de 11 minutos a una presión de 10 Toneladas. Con la masa obtenida y con el fin de estudiar la interacción entre la ceniza de bagazo de caña por separado, las mezclas del caucho natural producidas se denominaron (CN/CBC), luego de producidas las muestras, estas fueron caracterizadas.

Tabla 1. Formulación, en phr del sistema de cura aplicado

Función Materiales Phr

Estructura CN 100,0

Carga *CBC 0-30

Activador Óxido de Zinc 3,0

Agente de cura TMTD*** 2,0

Lubricador Acido Esteárico 2,0

Acelerador **CBS 1,0

*CBC. **N-ciclohexil-2-benzotiazol-2-sulfenamida; ***Disulfeto de tetrametiltiuram; (phr) per hundred of rubber

De los resultados obtenidos producto de la

caracterización mediante las técnicas de espectroscopia en la región de infrarrojo por transformada de Fourier FT-IR, difracción de rayos X, calorimetría exploratoria

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diferencial DSC, Termogravimétria TG y fluorescencia de rayos X, fueron obtenidos resultados de gran valor para iniciar el diseño del nuevo material, esta fue denominada fase de exploración. A continuación, son mostrados algunas de las técnicas analizadas para la selección de la ceniza como material de refuerzo en el caucho natural. 2.1 Termogravimetría de las cenizas de bagazo

El proceso se dividió en dos etapas. El primer paso es

la fabricación de material compuesto de caucho natural con el bagazo de caña de azúcar, llamado master. A partir de éste material reforzado se inició el proceso de estudio para conocer la relación derivada entre la matriz de caucho natural con las partículas de refuerzo, por tanto, llegar a obtener un producto con un comportamiento físico y mecánico aceptable o superior dentro de lo encontrado en la literatura y para la industria. El aporte derivado de éste estudio será que el material fue originado reduciendo polución en el medio ambiente.

Con esta mezcla entre CBC y CN se tiene la materia prima para un posible elastómero termoplástico. Las partículas para tener un acople Interfacial entre la superficie de las partículas de silica presentes y la superficie del CN, precisan de un proceso de tratamiento con agentes de silanización previamente estudiados. El objetivo de mejorar el contacto interfacial entre el área que recubre la partícula y el polímero es un factor predomínate que influye en los resultados del análisis de tracción y deformación. La tracción fue analizada junto con el análisis a deformación dinámica y mecánica DMA. La morfología de las muestras fue observada mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido MEB. Fue posible observar la dispersión de las partículas en la matriz del caucho natural, al igual que la topografía posterior a la fractura. Una vez identificada la mezcla se definió el proceso más adecuado para la obtención del master.

2.2 Caracterización de la ceniza

Para desarrollar la investigación fue realizada la

caracterización de la ceniza junto al caucho natural de forma individual, de esta manera fue posible identificar las diferencias luego de los diferentes análisis. El producto final es llamado master (BN/CBC). A continuación, la caracterización mencionada:

1. Granulometría de la ceniza de bagazo de caña. El primer paso fue la separación de muestras por tamaño de grano. Después de 3,5 horas de tamizado continuo para cada 100 gramos de CBC fueron obtenidos más de la mitad de cenizas con un tamaño superior a 125 micras, la otra mitad se distribuyó así: el 36 % de las partículas fueron recogidas del tamiz 115 ASTM (≤125 ≥ 44 micras); El material restante quedó entre el material recolectado del tamiz 325 ASTM (6 %) y el material recogido del tamiz 400 ASTM con el 7 %. Posteriormente se realizó la clasificación de la muestra con mayor contenido y pureza de SiO2 presente en la ceniza. Inicialmente por medio de la técnica de difracción de rayos x, los porcentajes recogidos se exponen en la Tabla 2.

Tabla 2. Tamaño de grano obtenido del proceso de tamizado

Tamiz ASTM Tamaño de grano

obtenido (µm) Masa (g)

(tamiz 115) ≥125≥12

5 51

≤125 36

(tamiz 325) ≥44

≤44 6

(tamiz 400) ≥38

≤38 7

2. Cristalinidad de la muestra. Los espectros de

difracción de rayos X fueron obtenidos utilizando un difractómetro de la marca Shimadzu modelo DRX-6000 y fuente de radiación Cu-Kα (0,1542 nm) en un intervalo de 10.000 a 70.000 grados. El análisis se realizó a través del software Search-Match®. El espectro de difracción de rayos X obtenido se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Gráfica obtenida por difracción de rayos X (DRX)

Las muestras de ceniza de bagazo de caña (CBC) se compararon con los datos indexados en la biblioteca del software donde se encontró que las muestras de esta ceniza corresponden respectivamente a la sílice en forma de cuarzo, como la fase cristalina representativa en las muestras de CBC (bruta). Se observan los picos obtenidos de los análisis de las tres muestras (tamizados ASTM 115, 325 y 400), donde la CBC que presentó la más alta intensidad a causa de la presencia de sílice, fue la obtenida del tamiz 115 con granulometría entre 44 y 125 micras. En este primer análisis fue observado que la CBC tiene el potencial para ser material de refuerzo en elastómeros y termoplásticos, debido a que la sílice es uno de los materiales más utilizados en la industria del caucho como partícula eficiente de refuerzo, confirmado en los análisis mecánicos.

3. Termogravimetria. Las partículas obtenidas de los

tamices número 115, 325 y 400 fueron analizadas térmicamente utilizando la técnica de análisis Termogravimétrico (TG). Las curvas expuestas en la Figura 4 muestran que el material obtenido del tamiz 115 cuenta con tamaño de partículas entre ≥44 y ≤125 μm, fue el tamiz que presentó la mayor estabilidad térmica, hasta 450 oC aproximadamente. Del tamiz 115 fue originada la mayor cantidad de residuo dentro de las muestras analizadas, se obtuvo el 95,44 %, el cual corresponde al material inorgánico presente en la muestra (sílice); La reducción inicial del 5 % de

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masa se refiere al material orgánico todavía presente. Las muestras de granulometría con tamaños entre ≤ 44 μm (tamiz 325 mesh) y ≥38μm (tamiz 400 mesh) presentaron menores cantidades residuales de las muestras.

Figura 4. Curvas termogravimétricas da CBC

Se concluye que, la estabilidad térmica de la ceniza está asociada a la cantidad de material inorgánico presente, como muestran las curvas termogravimétricas. Se observó que la granulometría de la ceniza es inversamente proporcional a la cantidad de materia inorgánica. Estos valores apuntan que es interesante utilizar las partículas obtenidas de la 115 mesh como partículas de refuerzo porque que presentan la mayor cantidad de sílice dentro de las partículas analizadas y sería muy bueno estudiar el impacto en los compuestos a desarrollar.

4. Calorimetría Diferencial de Barrido. En la Figura 5

se puede observar la representación de la deflexión inicial causada por la capacidad calorífica de la muestra durante el calentamiento. Se observa un aumento en la curva causada por la fusión de la fase orgánica presente en la ceniza. Posteriormente, se observa un pico mayor de la curva en comportamiento exotérmico, causado en el rango entre los 475 a los 487 oC, donde se puede definir la descomposición del material. A continuación, la curva decrece como parte del comportamiento de la degradación de las cenizas. Se ilustran los picos de temperatura donde se observa la pérdida de masa, concordando con los resultados obtenidos con la técnica de termogravimétria.

Figura 5. Curvas DSC obtenidas comparativo, correspondiente

a ceniza de bagaço da cana

5. Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X. Después de identificar las partículas recogidas en

el tamiz número 115 con 125 m de apertura, como la malla que obtuvo las partículas mayor porcentaje de residuo en el análisis de Termogravimetría; además de ser la fase con mayor pureza registrada en el análisis DRX. Fue

necesario hacer el análisis químico para confirmar la presencia y la cantidad de sílice en la composición.

Se realizó el análisis químico también para conocer el porcentaje de sílice en las partículas menores del estudio, las cuales fueron obtenidas del tamiz número 400 con apertura de 38 m. El análisis realizado fue cuantitativo utilizando la técnica de Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X (XRF); El material fue sometido a una temperatura de la pérdida al fuego 950 ± 50 ºC siguiendo la metodología técnica PE-LEQ007 y PE-LE008; ASTM 323-56 y ABNT-NBR-NM-18. El resultado de las fases relevantes para esta búsqueda se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Fases predominantes de la composición química da ceniza obtenida del Tamizado con mallas número 115 y 400

Tamiz 115 Tamiz 400

FASE Peso % FASE Peso %

SiO2

84,16 SiO2

53,07

Al2O3 1,68 Al2O3 8,30

Perdida al fuego

6,04 Perdida al fuego

19,24

Con estos resultados se confirma la aplicación de la ceniza con la granulometría entre ≥44μm y ≤125μm obtenida del tamiz número 115 como la CBC con mayor presencia de sílice, razón por la cual es dirigida como la partícula a ser evaluada como material del refuerzo. Confirmando las lecturas analizadas en la bibliografía de este proyecto de investigación; A partir de este análisis se continúa con el estudio de las propiedades mecánicas de la mezcla CBC/BN.

6. Espectroscopia en el infrarrojo obtenido por transformada por Fourier. En la Figura 6 se presenta el espectro del análisis realizado por la técnica espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) con la cual fue analizada la CBC [7]; El análisis se realizó en el intervalo de la gama de los 1600 - 400 cm-1 números de onda. Para analizar las muestras de la

CBC fue necesario realizar pastillas con el sedimento

mezclado con KBr.

Figura 6. Espectro obtenido a través de la técnica FTIR de la

CBC

Se pueden observar los picos característicos de la CBC; Los picos de absorción de intensidad 1033 cm-1 a 1090 cm-1 vibración asimétrica de estiramiento de las conexiones Si-O-Si presente en la ceniza. Además, se verificaron las bandas en los

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786, 690 cm-1 como los picos correspondientes al cuarzo y la presencia de materia orgánica en las cenizas, probablemente debido a la vibración de la unión CO en grupos alcohol u otros grupos funcionales que contenían oxígeno, fuera del plano de la conexión C = C-H [8], [9] las bandas observadas se presen en la Tabla 4.

Tabla 4. Espectros observados en el infrarrojo de la CBC utilizada

Material Número de Banda (cm-1) Grupo Observado

CBC

800- 1066 950

1110-1190 467

690-786

Vibração Si-O Si-OH Si-O-Si Flexión por la vibración O-Si-O Modos de estiramiento de Si-O-Si

Con las bandas registradas fue posible asegurar la presencia de la fase correspondiente a sílica encontrada en el análisis de Espectrometría de Fluorescencia por Rayos X (XRF), junto con las bandas correspondientes al porcentaje de partículas orgánicas o de carbón presente en la muestra.

7. Microscopia electrónica de Barrido. En la micrografía de la Figura 7 se observa la morfología irregular y gruesa de la muestra de CBC, donde se puede verificar la presencia abundante de fibras dispersas que presentan morfología heterogénea a lo largo de la muestra.

Figura 7. Microfotografia de la CBC a 100x de aumento

En la Figura 8, observar las fibras distribuidas aleatoriamente en la ceniza tamizada. Se puede ver el ancho de la fibra con 126 μm, además, algunas partículas de la sílica con dimensiones entre 57 y 70 μm de diámetro presentes en la muestra. Las dimensiones se midieron utilizando el software de análisis de imágenes.

Desde el punto de vista económico resultó más atractiva la posibilidad de estudiar la funcionalización de la ceniza obtenida del tamiz 115 debido a la alta pureza de la fase y al alto porcentaje de sílice presente en la muestra, los cuales fueron obtenidos de la muestra más representativa obtenida del proceso de tamizado. Posteriormente para obtener el caucho reforzado se utilizaron dos sistemas diferentes de mezcla que tuvieron como centro de interés el acoplamiento Interfacial, el cual se vio reflejado en los resultados de la caracterización mecánica. Se analizaron los compuestos de CBC en el CN sin y con aplicación de silano.

Figura 8. Micrografías (MEV) de CBC a 500x aumentos

superior) y B micrografía de la fibra 5Kx de aumento(inferior)

2.3 Compuestos de CBC con caucho natural

En esta etapa de la investigación se mostrará el proceso con el cual se obtuvo el máster a través de la mezcla de CN con la CBC. Se realizaron masas como 5, 10, 15, 25 y 30 phr. Con el objetivo de sintetizar la presentación de los resultados sólo se profundiza en los resultados obtenidos con 20 phr de CBC enfocando la investigación con el uso de superiores porcentajes de CBC, se enfatiza en los resultados de resistencia a la tracción y deformación, los cuales señalan el camino para la aprobación de las mezclas en posibles aplicaciones industriales. Se analizaron los compuestos de CBC/CN sin aplicación de silano y los resultados con la aplicación del sistema de acoplamiento silano. Inicialmente se analizó la mezcla aplicando el silano directamente sobre la mezcla (CN-CBC) cuando era masticada en la calandra y anterior a la aplicación de los agentes de vulcanización.

Después de obtener resultados con este método se aplicó un segundo método de silanización, que consistió en hacer la homogeneización de la mezcla; de este procedimiento se obtuvieron resultados optimizados de tracción y deformación; Junto a los resultados de los análisis dinámicos y mecánicos obtenidos a través de la técnica DMA. Las diferentes morfologías fueron observadas con la técnica de microscopía electrónica de barrido MEB y se observó la dispersión de las partículas en la matriz de la CN.

2.4 Preparación de las muestras con el proceso de salinización

Por último, se hizo la mezcla de CN con CBC en el

mezclador abierto de rodillos, siguiendo el procedimiento tradicional; Primero se hizo un ablandamiento de CN durante el rodaje por un tiempo de 3 minutos para permitir la quiebra de las cadenas y obtener una mejor interacción matriz y refuerzo. Posteriormente se incluyó la CBC en la masa de CN en el procesamiento de cilindraje obteniendo una dispersión

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óptima de la ceniza silanizada. Luego se añadieron los activadores y aceleradores de cura. Fueron seleccionadas muestras con 20 phr de CBC, con el objetivo de conocer las diferencias en las respuestas mecánicas, dinámico-mecánicas y morfológicas de los tratamientos.

2.5 Análisis de resistencia a la tracción y

deformación

Las propiedades mecánicas fueron evaluadas a través del promedio de análisis en triplicado de los compuestos estudiados por el test de resistencia a la tracción

deformación, con medida del módulo de elasticidad y la elongación hasta la ruptura. Los resultados se condensan en la Tabla 5. Se puede observar que los resultados más significativos en la resistencia a la tracción se obtuvieron en la muestra con la CBC con el proceso de silanización. Es posible observar que la respuesta mecánica fue mejorada debido a que la CBC mostró una mejor distribución en la matriz del CN la cual fue provocada por la mejor interacción en la interfaz de la partícula con el elastómero el cual mostró un aumento significativo en las pruebas mecánicas.

Tabla 5. Comparación de los resultados obtenidos de los análisis de tracción y deformación

Propiedades CNV* 20 phr CBC sem silano 20 phr CBC silano Tracción (MPa) 4,2 3,76 11,24

Módulo E (MPa) a 300% 0,13 0,16 0,52

Deformación (%) 974 1.130 946

*CNV: caucho natural vulcanizado

2.6 Microscopía electrónica de barrido

Este método ha sido utilizado para evaluar la interacción interfacial de la mezcla de CN/CBC, a fin de estudiar, la morfología y conectar este análisis con los resultados de los análisis mecánicos.

En la Figura 9 es posible observar las diferencias que presentaron en la distribución de partículas originada por procesamientos de dispersión en la mezcla. En la imagen A se observa a CBC sin homogeneidad en la distribución, con aglomeración en la superficie de fractura.

Figura 9. Micrografías de la superficie transversal de una muestra de caucho natural con 20 (phr) de CBC, a 500x aumentos,

Imagen A muestra sin silano; imagen B muestra con silano in situ; imagen C muestra con silano B

En la imagen B, en la cual fue aplicado el agente de acoplamiento silano directamente durante el proceso de mezcla (in situ), se observa una reducción en la aglomeración, el cual es observado en la muestra A. Posiblemente debido a la baja interacción y adhesión sobre las partículas de la CBC en el caucho no se tuvo una buena dispersión; solamente en algunas partes, de forma que las respuestas de los análisis fueron también muy heterogéneas. Los resultados obtenidos de los análisis mecánicos de tracción y dinámico-mecánicos no presentaron respuestas sobresalientes para estas muestras. En cuanto a la imagen C, se puede observar que la distribución de las partículas fue más homogénea, que las muestras sin el agente silano, superficie más limpia con algunos vacíos derivados del proceso de fractura, esta morfología es correlacionada con la optimización en

los resultados del análisis de tracción y deformación y dinámicas mecánicas. Es posible exponer que las partículas de la CBC fueron mejor cubiertas por la matriz elastomérica con el proceso de silanizado que las partículas utilizadas en el sistema sin silano, lo que es reflejado en las respuestas del análisis mecánico. 2.7 Análisis dinámico mecánico

Se realizó el estudio a través de la técnica de DMA

para el CN y para los compuestos con las proporciones de CBC inicialmente mencionadas. Sin tratamiento de silanización y con tratamiento. Fue identificado el comportamiento con mejor respuesta dinámica mecánica. Las curvas estudiadas corresponden a las Figuras 10 a 12.

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Figura 10. Módulo de almacenamiento y tangente delta

Las curvas obtenidas del módulo de almacenamiento E' en la Figura 10 A (módulo de almacenamiento y tan delta) de las muestras sin agente silano. Que en porcentajes de CBC entre 15 y 20 phr fue obtenida una mayor rigidez, debido a la presencia de la ceniza, la cual incremento este comportamiento en el caucho natural. Mientras, las muestras con 30 phr y 5 phr presentaron baja rigidez, inferior al del caucho sin refuerzo; esta respuesta es debido a la baja interacción en el sistema matriz y carga. En la Figura 10 B, es mostrada la respuesta del CN con la CBC en 25 phr. Fue observado que la respuesta del módulo de almacenamiento de energía fue superior con el tratamiento silano. Es posible observar que en la temperatura de -100 oC el caucho con tratamiento B, presento el mayor valor del módulo, alcanzó 3062 MPa. La mezcla con tratamiento silanizado in situ presentó 2962 MPa. El valor alcanzado por la mezcla sin tratamientos de acoplamiento presentó un valor de módulo de 2447 MPa, menor que los expuestos de las mezclas con tratamiento e inferior al valor del módulo de la goma pura; La respuesta confirma el

incremento en la interacción entre las partículas de la ceniza y la matriz del caucho natural aplicando agentes de acoplamiento, en este caso agente silano.

En la temperatura -45oC ± 2 correspondiente al Tg en los compuestos, la muestra con tratamiento optimizado presentó un módulo superior respecto a las otras muestras con 975,8 MPa, un 75 % mayor que la muestra con tratamiento silano in situ con 733,8 MPa y muy superior con respecto a muestra sin tratamiento de acoplamiento la cual alcanzó el valor de 123,7 MPa. Comparando los resultados, en el proceso de silanización B, se puede observar la mayor homogeneización de la mezcla, mejorando significativamente los resultados obtenidos de la muestra sin y con el tratamiento in situ. Las partículas de la ceniza obtuvieron un enredado superior al mejorar el contacto con el silano, pero significativamente en la interfaz elastómero y partículas de silica presente en la CBC; Reflejando las propiedades de almacenamiento de energía durante la caracterización dinámica.

Figura11. Curvas del módulo de perdida E´´

En la Figura 11A, a través de los valores de módulo de

pérdida (E"), es posible observar que el pico corresponde la transición vítrea observada en la curva de tangente delta. Las mezclas que presentaron mayor capacidad de disipar energía en forma de calor fueron observadas con los phr 15, 20 y 25. De CBC y los menores resultados observados en los menores porcentajes (10 y 5 phr). Luego al utilizar agentes de silanización se realizó una comparación.

En la Figura 11 B, se puede observar en torno a los -75oC la muestra que presentó mayor capacidad para disipar energía fue la fabricada con el proceso de silanización in situ con 547 MPa. La muestra con silanizado homogéneo presentó 500 MPa; el CN con 270 MPa. La muestra sin silano 253 MPa, siendo resultados

más bajos frente a los resultados obtenidos de las muestras con silano.

Se puede concluir que el agente de acoplamiento tipo silano contribuye significativamente, incrementando la interacción con el caucho natural y la CBC como agente de refuerzo en las propiedades dinámicas y mecánicas del material, proporcionando valores en el módulo de almacenamiento con altas posibilidades de uso para la industria en general. El área que encierra la curva del módulo de perdidas es incrementada con la presencia del silano en la CBC. Es aumentada la energía absorbida por el material E` y disipada en forma de calor E``. Los altos resultados obtenidos fueron confirmados en los análisis de tracción y deformación corroborando la eficacia del tratamiento de silanización.

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Figura 12. curvas Tan δ de las mezclas de CN-CBC con silano

En la Figura 12A, son mostradas las curvas originadas

del comportamiento tan delta, la muestra con mayor capacidad de amortiguamiento es en este caso la obtenida del caucho natural sin partículas de refuerzo, también es observado un desplazamiento de la transición vítrea conforme aumenta el volumen de CBC en la mezcla, este fenómeno es causado por la interferencia de la sílice en la continuidad de las cadenas poliméricas, la cual reduce el comportamiento durante el análisis. En la Figura 12B, se observa una comparación entre las muestras seleccionadas con tratamiento de silanizado.

Se puede observar un cambio leve en la temperatura de Tg a la cual y comparativamente pequeña y cambia a medida que el caucho mejora la interacción con la CBC; Para la goma pura fue obtenida a Tg en torno a los -44oC, aún se presentó un cambio hasta los -34oC para la muestra con 25 phr de CBC con el proceso de silanizado optimizado; La muestra con 25 phr sin silano presentó el Tg en los -42oC. El incremento de la interacción con el acoplamiento observado en la caracterización en la mezcla BN y CBC con tratamiento de silanización presenta un comportamiento menos elástico cerca de los 37oC reflejado por la reducción del pico en el Tan δ; El pico de la goma pura se obtuvo en torno a los -44oC. El efecto reforzante de las partículas de la ceniza con el agente silano es más significativo a medida en que el mojado del silano y se hace en las partículas de ceniza.

El mecanismo de refuerzo por mejora en el acoplamiento de las partículas en el caucho fue atribuido al fenómeno de enmarañado mecánico derivado del mejoramiento de la respuesta física (interface) de la adhesión CBC/CN. El mecanismo fue observado en las respuestas de la prueba de tracción y estructurales obtenidas durante los análisis al compuesto con silanización optimizada. Las interacciones desarrolladas causaron la reducción en la flexibilidad de la cadena y el movimiento del segmento flexible y consecuentemente el descenso de la Tg, pero con la optimización en las respuestas mecánicas.

3. Conclusiones

En este análisis se observó que el comportamiento de

la CBC con tratamiento silano optimizado presentó una mayor rigidez en las cadenas poliméricas en el rango de temperatura inferior al Tg, con la que reflejó una mayor capacidad de almacenar energía, reflejada en la curva del módulo de almacenamiento. El resultado fue favorecido por la optimización en la interacción entre adhesión superficial de las partículas de CBC con el CN. El

comportamiento fue similar en el módulo de disipación de energía (E``) tanto para la mezcla con silano in situ como para la mezcla con tratamiento B, donde el resultado fue superior que el alcanzado por las muestras sin tratamiento silano.

Otro hecho observado fue el desplazamiento en la temperatura de transición vítrea, donde con la presencia del silano y la optimización en la interacción, la temperatura fue desplazada de -42oC del máster sin silano a -34 oC con la CBC con tratamiento optimizado; Este hecho corrobora que la CBC tiene influencia directa en la respuesta térmica de la mezcla, mejorando la respuesta dinámica mecánica en cuanto a los módulos E' y E'', más, reduciendo el comportamiento elástico sin perjudicar las características elásticas del CN.

Hay un libro abierto de posibilidades que explotar, desde el trabajo multidisciplinar, como diseñador industrial, la física de los materiales es un área abierta para los amantes del diseño y de los productos; saber cómo nace un material hasta la génesis de un producto final que puede estar en los supermercados del mundo. Agradecimientos

A la Universidad Estadual Paulista z z Julio de Mezquita Filho, UNESP por la oportunidad de formación en un área tan hermosa como lo es la ciencia de los materiales, al profesor Aldo E. Job, por permitir estar en su maravilloso grupo de investigación. Se agradece al Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellín, por facilitar la comisión de estudios, con la cual fue llevada a cabo este proyecto. A la AUIP, asociación universitaria iberoamericana de posgrados, por hacer posible este camino con el programa de becas.

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