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El rol de las nanoarcillas en la mejora de las dispersiones de plásticos reciclados en asfaltos

Por los Ings. Federico Ortiz de Zárate, Gerardo de Botasso, Camilo Meyer y Silvina Regenhardt.
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EDITORIAL

*Por los Ings. Federico Ortiz de Zárate y Gerardo de Botasso (INCAPE – Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica FIQ UNL – CONICET) yLEMaC – Centro de Investigaciones Viales (UTN FRLP – CIC PBA); y los Ings. Camilo Meyer y Silvina Regenhardt (INCAPE – Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica FIQ UNL – CONICET).

Introducción

A pesar de los importantes avances obtenidos en los últimos años en el desarrollo de asfaltos modificados con residuos plásticos, aún persisten algunos problemas que limitan la utilización efectiva de estos ligantes en la construcción vial. Uno muy importante desde el punto de vista tecnológico es la separación de fases que tiene lugar cuando el ligante asfáltico modificado es almacenado a altas temperaturas en condiciones estáticas, lo que se conoce como baja estabilidad al almacenamiento. Cuando se produce esta separación, la fase polimérica (menos densa que el asfalto) termina flotando en la superficie del ligante caliente, el cual pierde las propiedades mejoradas que le había otorgado el proceso de modificación y hace que el mismo sea inutilizable. Este es un inconveniente que limita fuertemente el uso de estos ligantes, tal es así que en la actualidad las dispersiones de polímeros reciclados en asfalto por vía húmeda deben ser realizadas a pie de obra en la propia planta asfáltica y utilizadas de inmediato para evitar su almacenamiento, debido a los problemas de separación que se pudieran ocasionar. Esta situación restringe la pavimentación con estos materiales a las zonas muy cercanas a plantas asfálticas.

Los antecedentes de obras viales en las cuales la estabilidad de la dispersión polimérica ha fracasado son en general de un elevado impacto económico, y su complejidad es mayor o menor según en el momento en que ocurre. La separación de las fases de la dispersión genera el sobrenadante de la fase polimérica, y la consecuente necesidad de sobrecalentar la masa a temperaturas muy superiores a las del punto de inflamación del asfalto, poniendo en riesgo toda la instalación y los operarios involucrados. Si esto ocurre, se inutilizan cisternas de transporte, cañerías y bombas, obligando al reemplazo de las mismas.

Las situaciones descriptas ponen en relieve la trascendencia del estudio de la estabilidad al almacenamiento, y lleva a explorar diferentes formas de mejorar la misma. Es necesario solucionar el problema de la separación de fases a altas temperaturas para extender y consolidar el uso de ligantes asfálticos modificados con polímeros reciclados en la pavimentación de caminos. Esto impactaría en el proceso productivo de los asfaltos modificados permitiendo garantizar el transporte y almacenamiento de estos productos.

Desde el año pasado en el INCAPE – Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica (FIQ UNL – CONICET) y el LEMaC – Centro de Investigaciones Viales (UTN FRLP – CIC PBA) se ha comenzado a estudiar el tema por medio del desarrollo de una tesis doctoral, donde se han relevado diferentes alternativas de residuos plásticos y sus posibilidades de uso en asfaltos, principalmente polímeros reciclados de la industria regional y diferentes aditivos estabilizantes que puedan ser elaborados a partir de materias primas nacionales.

Incorporación de nanomateriales en dispersiones poliméricas en asfalto

Numerosos grupos de investigación de distintos países han enfocado sus esfuerzos en la búsqueda de soluciones al problema de la estabilidad al almacenamiento de estos asfaltos modificados. De la revisión de la bibliografía científica surge una posibilidad muy prometedora que involucra el uso de ciertos nanomateriales, y en particular de nanoarcillas, como aditivo estabilizante. Diversos estudios muestran que este nanomaterial tiene la capacidad no sólo de aumentar la estabilidad al almacenamiento de estos ligantes, sino también de mejorar otras propiedades como su performance reológica y resistencia al envejecimiento.

De las diferentes clases de arcillas que se encuentran en la naturaleza, la montmorillonita es uno de los tipos más adecuados para esta aplicación. Se trata de un recurso natural abundante, de bajo costo y de relativamente sencilla explotación, del cual la Argentina es el segundo productor más grande de Latinoamérica. La montmorillonita pertenece a la familia de los denominados filosilicatos 2:1, nombre que hace referencia a la estructura laminar que presenta el material. Su estructura cristalina consiste de láminas apiladas una encima de otra, donde cada una de estas láminas está compuesta de una capa octaédrica de alúmina o magnesia comprendida entre dos capas tetraédricas de sílice. Estas láminas tienen un espesor de alrededor de 1 nm (de allí su clasificación como nanomaterial), y su superficie presenta cargas negativas que son compensadas por cationes (Na+, Ca+) ubicados en el espacio entre dos láminas adyacentes, conocido como espacio interlaminar (Figura N° 1).

Este material es naturalmente hidrofílico, lo cual dificulta su dispersión en un medio de naturaleza hidrofóbica como el de una dispersión asfalto-polímero. Debido a esto, para que la montmorillonita pueda ser utilizada como aditivo estabilizante se les debe realizar un proceso de modificación que incremente su grado de hidrofobicidad, y así mejore la afinidad entre las láminas de arcilla y las cadenas hidrocarbonadas del ligante asfáltico modificado. Esta modificación de las arcillas se puede realizar mediante un intercambio catiónico entre la arcilla y un surfactante como por ejemplo sales cuaternarias de amonio. Durante este proceso los cationes Na+ y Ca+ de la arcilla natural se reemplazan por cationes orgánicos de cadenas largas, produciéndose un aumento del espacio interlaminar y del carácter hidrofóbico de la misma. Las arcillas modificadas así obtenidas son más fácilmente dispersables en el asfalto modificado, esto significa que sus láminas pueden separse unas de otras y adoptar orientaciones aleatorias dentro del asfalto en una distribución homogénea. Así se obtienen ligantes modificados asfalto-polímero-nanoarcilla configurados en la escala nanométrica.

¿Cómo actúa la nanoarcilla dentro del ligante asfáltico modificado? Los mecanismos por los cuales se mejora la compatibilidad asfalto-polímero no están completamente claros, pero se cree que son por lo menos dos. En primer lugar, las láminas de arcilla tenderían a ubicarse preferentemente en la fase polimérica del ligante, lo cual reduciría la densidad de la misma volviéndola más similar a la de la fase asfáltica. Esta menor diferencia de densidad entre las fases del ligante mejora la estabilidad de la dispersión en su conjunto. Por otra parte se cree que en ciertas condiciones las láminas de arcilla podrían actuar como un sustrato donde tanto polímero como asfalto entran en contacto, reduciendo la diferencia en composición química de las fases del ligante y mejorando así la estabilidad.

Además de mejorar la estabilidad del sistema, se ha puesto en evidencia que el uso de nanoarcillas en ligantes asfálticos puede mejorar su resistencia al envejecimiento debido a las propiedades de barrera de este aditivo. Cuando se logra una buena dispersión dentro del ligante, las láminas forman un camino tortuoso en su interior que retrasan tanto la penetración de oxígeno del ambiente como la pérdida de los componentes volátiles del asfalto (Figura N°2). También se reportan mejoras en la resistencia a la deformación permanente, a la fatiga y a la humedad. En Latinoamérica la investigación y desarrollo en el área de nanoarcillas en ligantes asfálticos es incipiente y queda camino por recorrer, pero trabajos de diversos países como China, Estados Unidos, Italia, etc. muestran que este aditivo tiene el potencial de solucionar el problema de la estabilidad al almacenamiento y también de mejorar la durabilidad de los pavimentos de manera efectiva.

Existen además elementos que permiten pensar que el uso de nanoarcillas como aditivo estabilizante puede ser una solución económica al problema de la separación de fases. Algunos autores manifiestan que la modificación de asfaltos con nanomateriales puede tener una mejor relación costo-beneficio que la modificación con polímeros sintéticos (Li et al., 2017), y además se espera que con el correr de los años el costo de los nanomateriales siga disminuyendo debido al desarrollo de las tecnologías de producción a gran escala (Crucho et al., 2019). Una característica de las nanoarcillas (y de los nanomateriales en general) es que al poseer una superficie específica tan grande, pueden causar efectos muy importantes en las propiedades del asfalto aún cuando se los agrega en concentraciones muy bajas.

Avances del proyecto

En este marco, viendo las potencialidades que presenta este nanomaterial para solucionar uno de los limitantes que tienen los ligantes asfálticos modificados con residuos plásticos, nos hemos propuesto avanzar en su desarrollo a través del estudio de los cambios en la microestructura y las interacciones fisicoquímicas entre los diferentes componentes de los ligantes asfálticos modificados con polímeros reciclados y nanoarcillas. Este trabajo se desarrolla mediante una beca doctoral financiada por el CONICET, y en un trabajo conjunto entre el INCAPE, el LEMaC – Centro de Investigaciones Viales e YPF S.A. El objetivo es desarrollar y optimizar formulaciones de estos ligantes utilizando materiales reciclados e insumos producidos localmente, con el fin de consolidar a la dispersión de polímero reciclado en asfalto por vía húmeda como una alternativa tecnológica competitiva en la construcción vial.

Al momento se han logrado elaborar las nanoarcillas, en base a bentonitas sódicas provenientes de la provincia de Río Negro y surfactantes cuaternarios de amonio de producción nacional (Figura N°3). La caracterización de las mismas por Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) y Difracción de Rayos X (DRX) muestra que se produjo un ensanchamiento del espacio intercapa y un aumento del grado de hidrofobicidad de las arcillas modificadas (Figuras N° 4 y 5).

La siguiente etapa del proyecto se centrará en elaborar y optimizar las dispersiones de asfalto de la refinería de YPF de La Plata, con las nanoarcillas elaboradas y residuos plásticos de la industria regional.