Miércoles, 10 Enero 2018 09:48

Octavio Manero

Durmientes de vías para el sistema de transporte Metro construidos con plástico reciclado

Octavio Manero Brito* y Antonio Sánchez

Miembro del Comité de Tecnología y Diseño Comité de Tecnologia y Diseño



El problema de la basura plástica es de gran proporción, además de contribuir a la degradación del medio ambiente. El reto en la actualidad en México es reciclar plásticos, ya que sólo se reciclan alrededor del 14 % de los materiales plásticos que se depositan en los basureros. Las nuevas tecnologías permiten la producción de materiales muy resistentes, aplicando la nanotecnología para tratar este tipo de residuos. Con esta tecnología se logra el reciclado de materiales, dando una solución a la basura plástica.

Los materiales nanocompuestos con politereftalato de etileno (PET), polietileno de alta densidad (PE) reciclados y nanopartículas de arcilla han sido utilizados con éxito para producir durmientes, trajineras, varas y estacones. La formulación de estos nanomateriales con propiedades mecánicas similares a las de la madera, permite manipularla de manera similar.

El plástico reciclado funciona perfectamente para producir los materiales llamados nanocompuestos, donde una de las fases es de tamaño nanométrico, un millón de veces más pequeño que la longitud de un milímetro. El mezclado alcanzado con este método permite utilizar los equipos de procesamiento de plásticos convencionales y comerciales existentes en el mercado.

Los durmientes fabricados con estos nuevos materiales son más resistentes y ecológicos, y tienen la misma funcionalidad que los de madera. La fabricación de durmientes de madera requiere de un costo elevado debido al mantenimiento, aunado al corto tiempo de vida útil. Además, la producción de un gran número de durmientes de madera que se requieren para las vías del sistema de transporte “Metro” involucra la tala de muchos árboles.

El principio científico de esta tecnología se basa en la aplicación de nanopartículas (en pequeñas cantidades, del orden de 0.5 al 5% en peso) en la tecnología del procesamiento de polímeros. Con respecto al polímero sin partículas, este proceso resulta en la mejora de las propiedades mecánicas, térmicas y reológicas de los productos.

Las partículas de tamaño nanométrico empleadas con mayor frecuencia son aquellas derivadas de la montmorillonita (mineral del grupo de los silicatos, dentro de ellos se encuentran las arcillas), los nanotubos de carbono y el grafeno (cristal de carbono en el que los átomos están organizados en forma hexagonal).

La estructura en forma de capas de la montmorillonita tiene un efecto favorable en las propiedades mecánicas y de barrera (impermeabilidad) del nanocompuesto, lo que es importante en la industria del embalaje. La producción de nanocompuestos es todavía difícil por la elevada tendencia de las partículas a aglomerarse. La distribución de partículas no es uniforme en el producto, ya que forman aglomerados grandes o pequeños que tienen efectos no deseados en las propiedades mecánicas de los productos, resultando en productos quebradizos o rígidos.

Las investigaciones recientes realizadas en la UNAM sugieren aplicar un tratamiento superficial de nanopartículas y el proceso con ultrasonido. En este proceso las moléculas compatibles con la matriz polimérica se adhieren a la superficie de las partículas. Además, el ultrasonido induce la dispersión y disminución de tamaño de los cúmulos de nanopartículas.

El proceso más empleado es aquel que involucra al polímero fundido, en el que las partículas se distribuyen debido a los esfuerzos de corte producidos sobre el fundido en los equipos de procesamiento. Otro método es la aplicación de polimerización in situ, utilizada en los procesos donde se emplean arcillas lamelares como la montmorillonita, como también puede ser aplicado en el caso de los nanotubos.

Adicionalmente, estos estudios abarcan la reología y el procesamiento de estos nuevos materiales. Las propiedades que presentan estos compuestos son superiores a las de la matriz polimérica en cuanto a su procesabilidad, resistencia al fuego, permeabilidad a gases y resistencia a temperaturas elevadas.

La reología de los nanocompuestos poliméricos representa un campo de frontera en la investigación de nuevos materiales. En el estudio del PET o PET con montmorillonita y las mezclas de copoliésteres (PET y PEN, éste último es similar al PET, pero con un grupo nafténico) con montmorillonita se reportó la pérdida de viscosidad y propiedades mecánicas que presenta el PET en las operaciones de extrusión y moldeo por inyección, y la forma a través de la cual se puede recuperar el nivel de viscosidad y propiedades reológicas añadiendo pequeñas cantidades de montmorillonita funcionalizada.

Este estudio sobre los procesos de dispersión y distribución de las nanopartículas en la matriz polimérica generaron conclusiones importantes: las propiedades reológicas y mecánicas dependen fuertemente del tamaño de las partículas (nanométrico o micrométrico), su distribución (si es uniforme) y su dispersión (si no se aglomeran).

Mediante el trabajo termo-mecánico, la diferencia de potencial químico entre las moléculas orgánicas en los unidades de la montmorillonita y el polímero induce la difusión del polímero hacia las galerías localizadas entre los planos cristalinos de los tactoides de montmorillonita, aumentando la distancia interlamelar y formando un compuesto intercalado. Posteriormente, se exfoliaron los tactoides y la dispersión de las laminillas forma un compuesto amorfo, en donde el área superficial se encuentra grandemente magnificada. Este resultado trae consigo el aumento considerable en las propiedades reológicas y mecánicas buscadas en los productos. Con estos resultados se obtuvieron un título y dos solicitudes de patentes.

Por otro lado, diferentes plásticos poseen diferentes propiedades que los convierten en materiales incompatibles, es decir una mezcla de uno con otro proporciona nuevos materiales, pero con propiedades físicas inferiores a cualquiera de los dos precursores. Para solucionar lo anterior, se ha utilizado un método de producción con ultrasonido para hacer a estos plásticos compatibles y así obtener los beneficios en propiedades que conlleva tener una mezcla compatible.

Retos

Reemplazar sistemáticamente los durmientes del sistema de transporte Metro con durmientes fabricados con materiales nanocompuestos de PET, PE de alta densidad reciclados y nanopartículas de arcilla.

Por otro lado, la normativa obsoleta en la reutilización de plásticos reciclados es un gran problema. Por ejemplo, la Norma Oficial Mexicana señala que no se pueden utilizar plásticos reciclados para la producción de tubería de drenaje, en su caso únicamente plásticos vírgenes. Sin embargo, las propiedades de los plásticos reciclados son suficientes para ser utilizados en dicho proceso.



*Miembro del Consejo Consultivo de Ciencias

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