Formulación y procesado de espumas bituminosas para aplicaciones en ingeniería civil

Resumen

Esta Tesis Doctoral se centra en el estudio de la modificación de betún con prepolímeros funcionalizados por grupos isocianato, para el desarrollo de nuevos materiales bituminosos de altas prestaciones y valor añadido en edificación. En general, las membranas bituminosas son usadas en construcción debido a las excelentes propiedades impermeabilizantes. Al contrario, otros productos tales como espumas de poliuretano son empleados por sus propiedades de aislamiento térmico y acústico y también por su baja densidad. Combinando las características de impermeabilización de las membranas bituminosas y las aislantes de las espumas de poliuretano se pueden desarrollar un nuevo producto mejorado de altas prestaciones, las espumas estables para edificación. Un conjunto de betunes procedentes de la destilación del crudo de petróleo con diferentes características, grados de penetración de 45, 130 y 498 y temperaturas de reblandecimiento anillo-bola de 52, 40.5 y 29ºC respectivamente, han sido usados en esta investigación. Los prepolímeros reactivos han sido preparados en el laboratorio por reacción de polioles de grado industrial y un MDI polimérico (4,4´- difenilmetano diisocianato). El uso de prepolímeros con grupos terminales de isocianato tiene algunas ventajas como es el fácil espumado, buen entrecruzamiento con polioles y uniones poliurea fuertes. La reacción de polimerización se produce entre los grupos isocianato del MDI poilimérico y el grupo hidroxilo del PPG (polipropilenglicol), dando lugar a un prepolímero de poliuretano referido como MDI-PPG. Los polioles usados difieren entre sí por el peso molecular (entre 400 y 3000 g/mol) y la funcionalidad (diol y triol). El objetivo principal de esta Tesis es el estudio del efecto que la formulación y las condiciones de procesado ejercen en el comportamiento reológico de las espumas bituminosas para desarrollar materiales adecuados para la industria de aislamiento. Así pues, para el desarrollo de las formulaciones más adecuadas se han estudiado diferentes variables. En primer lugar se estudia la reactividad de los diferentes betunes con un MDI-PPG seleccionado, seleccionando variables de procesado como temperatura, tiempo de procesado, agitación y tiempo de curado. Una vez seleccionado un betún, se estudia la influencia que el peso molecular del poliol y el exceso de MDI polimérico usados en la preparación de los prepolímeros reactivos ejercen en las propiedades reológicas de las espumas bituminosas. Las espumas bituminosas fueron preparadas en dos etapas. En una primera etapa, el betún se mezcla con el MDI-PPG mediante agitación mecánica para obtener un betún reactivo modificado con MDI-PPG por reacción entre los componentes polares del betún y los grupos isocianato terminales del prepolímero. Después, en una segunda etapa, un exceso de agua fue añadido al betún reactivo modificado con MDI-PPG, para reaccionar los grupos isocianato remanentes en primer lugar formando una amina con liberación de dióxido de carbono que es usado como agente químico de espumado para producir espumas bituminosas estables. La caracterización termo-mecánica para el betún modificado y las espumas bituminosas estables se ha llevado a cabo mediante ensayos de calorimetría diferencial de barrido modulado (MDSC), análisis termo-gravimétrico (TGA), ensayos termo-mecánicos (DMTA) y ensayos reológicos de flujo en estado estacionario y barridos de temperatura en cizalla oscilatoria. La caracterización microesctrutural se ha llevado a cabo por microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía óptica en microscopio. La caracterización fisicoquímica consiste en la determinación de las fracciones SARA por latroscan MK-6, determinación del peso molecular y polidispersidad mediante cromatografía de permeación en gel (GPC), espectrometría infrarroja (FTIR) e índice de NCO libre según la norma ASTM D2572. Por último, la caracterización tecnológica básica se ha realizado según normas UNE-EN 1426:2007 (Penetración a 25ºC) y UNE-EN 1427:2007 (Determinación del punto de reblandecimiento anillo-bola). Con los resultados obtenidos se puede concluir que bajo las condiciones experimentales de estudio se pueden obtener espumas estables bituminosas. Además la adición de MDI-PPG mejora las propiedades reológicas de las muestras bituminosas especialmente después de tiempos largos de curado.