Novel organoclay/isocyanate-based modification of bitumen for the development of high-perfomance composites

Resumen

El betún, subproducto de la destilación al vacío del crudo de petróleo, está constituido por una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente de hidrocarbonos alifáticos, aromáticos y nafténicos. Aunque su composición depende en gran media del origen del crudo y del proceso de refino utilizado, ésta se suele definir en base a la solubilidad en n-alcanos, resultando en la separación de maltenos, que se subdividen a su vez en saturados, aromáticos y resinas; y en asfaltenos, que constituyen la fracción más polar del betún. Esta clasificación establece las denominadas fracciones SARAs del betún. Entre las propiedades del betún, la impermeabilidad, ductilidad, adhesividad, y la resistencia a la climatología y a agentes químicos han favorecido su desarrollo para un amplio rango de aplicaciones, principalmente en los terrenos de la pavimentación y de las membranas impermeabilizantes. Sin embargo, la temperatura y otros agentes externos influyen en gran medida sobre dichas propiedades y el comportamiento mecánico del betún, lo que puede producir problemas, como deformaciones y grietas, así como inducir procesos de envejecimiento, provocando su fallo prematuro. Con objeto de superar tal problemática, el betún se ha modificado tradicionalmente con diversos aditivos, generalmente polímeros como el SBS, EVA, etc. que mejoran sus propiedades mecánicas cuando se mezclan adecuadamente. No obstante, la cierta incompatibilidad termodinámica existente entre ambos puede conllevar a la separación de las fases, deteriorando las propiedades. En este sentido, la modificación química por medio de polímeros reactivos ha mostrado ser una técnica efectiva para la mejora de las propiedades, entre los que el uso de MDI polimérico (mezcla de diisocianato de difenilmetano y homólogos superiores) permite mejorar significativas. Otro tipo de material, los silicatos laminados (arcillas), ha centrado el interés de la modificación de polímeros y betunes, dada la mejora que puede producir cuando interacciona a escala nanométrica. Las nanoarcillas son minerales naturales inorgánicos que se pueden modificar mediante reacciones de intercambio iónico con sales de amonio cuaternario, permitiendo su conversión en organofílicos, lo que favorece su compatibilidad y la separación de sus capas para producir nanocomposites. Así, la producción de materiales de alto rendimiento para ingeniería civil implica la optimización de las condiciones de procesado para que posibiliten la separación de las láminas, lo que requiere información sobre las propiedades reológicas. De esta forma, en este trabajo, se ha abordado la modificación del betún mediante la preparación de composites bituminosos ternarios con una montmorillonita organomodificada, Cloisite 20A®, y un oligómero reactivo de base isocianato, MDI polimérico. Estos dos aditivos se usaron por separado y conjuntamente, estudiándose sus efectos desde una perspectiva dual. Por otra parte, la influencia ejercida por diferentes variables de procesado, como la cizalla y el tiempo, sobre las propiedades finales. Y por otra parte, los efectos de estas variables en combinación con la reactividad de los grupos isocianato. Así, la investigación se ha enfocado en los factores que influyen en la formación de una estructura nanoreforzada para dar lugar a nanocomposites con un comportamiento termomecánico mejorado; Y en el nivel de influencia que ejerce la reactividad de los grupos isocianato sobre dicha estructura y el comportamiento del material. Para ello, los sistemas se sometieron a numerosos ensayos reológicos, completados por estudios térmicos, micro-estructurales y químicos. Por tanto, ello constituye una profundización en el conocimiento sobre los nanocomposites de betún y arcilla, y de cuanta constancia se tiene, una primera incursión en la caracterización de aquellos modificados con isocianatos, y en la influencia que ejercen algunas de las principales variables del procesado sobre sus propiedades finales.