Se informa de los resultados y conclusiones alcanzadas en las pruebas preliminares sobre los factores que afectan al entrecruzamiento de las fibras, así como su escalado y posterior aplicación comercial.

1. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
INFORME DE RESULTADOS
1. COMPOSICIÓN DE LAS MEZCLAS
Se ha realizado un diseño experimental que consta de 6 mezclas, el objetivo del
cual es poder evaluar un posible efecto acelerante y la actividad reforzante en la
incorporación de diferentes contenidos de fibras de alto contenido en queratina a una
matriz de caucho natural. El análisis de los parámetros de vulcanización y el estudio de
las propiedades mecánicas permitirá establecer el mecanismo de refuerzo que
emplean dichas fibras según las propiedades fisicoquímicas superficiales y
macroscópicas de las mismas.
Para evaluar el tipo refuerzo que proporcionan dichas fibras, se ha empleado
una mezcla control cuya composición no posee fibras y otra mezcla objetivo que
contiene 4 veces más acelerante (0,12 partes de acelerante por 100 de caucho) que las
demás (0,4 partes por 100), cuyas propiedades mecánicas pretenden ser alcanzadas.
El efecto reforzante de las fibras debería producir, entre otros, un aumento en
propiedades tales como la dureza o la rigidez de la matriz. Además, se ha empleado
diferentes tratamientos químicos de las fibras que podrían producir diferentes efectos
reforzantes según sea el tipo de mecanismo de refuerzo. En la Tabla.1 se muestra la
composición de las mezclas, el contenido y el tratamiento aplicado a las fibras.
Target Control
FB tq
3%
FB ntq
3%
FB tq
5%
FB ntq
15%
COMPOSICIÓN (g)
Caucho Natural 50 50 50 50 50 50
Óxido de Zinc 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5
Ácido Esteárico 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
Azufre 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
Acelerante DPG 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Acelerante MBTS 0,6 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12
Fibra biológica -- --
1,5
(2h al 5%
Tratamiento
ácido)
1,5
2,5
(30' al 0,1%
Tratamiento
básico)
7,5
(FB tq: Fibra tratada químicamente FB ntq: Fibra no tratada químicamente)
Tabla 1. Composición de las mezclas
2. VULCANIZACIÓN
La vulcanización de las mezclas se ha realizado a 150ºC y se ha empleado un
sistema de vulcanización azufre/acelerante que servirá para comparar el efecto
acelerante de las fibras. El acelerante principal (MBTS) posee un puente disulfuro en su
estructura química, cuyo mecanismo de aceleración sería análogo al que poseen las
fibras. Por otra parte la generación de grupos mercapto (y sulfuro) en la superficie de
las fibras también puede ejercer una actividad acelerante. La Figura 2 muestra los
parámetros característicos de la vulcanización de cada mezcla.

2. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
Target Control
FB tq
3%
FB ntq
3%
FB tq
5%
FB ntq
15%
VULCANIZACIÓN (T= 150 ºC)
t97 (min) 9,05 13,78 13,92 14,09 12,21 12,72
Par máximo (dNm) 8,72 7,47 7,41 7,77 7,23 7,73
Reversión (%) 6,0 3,6 4,2 3,5 5,9 5,6
Tabla 2. Parámetros de vulcanización
Los resultados del tiempo de vulcanización t97 indican que las fibras poseen un
ligero carácter acelerante ya que dicho parámetro disminuye al aumentar el contenido
de la fibra. Este comportamiento se puede apreciar en contenidos del 5% y 15%,
llegando a reducir en más de 1 min el tiempo de vulcanización en el caso de la mezcla
que contiene un 5% de fibra (Fig. 1). Según los valores mostrados en la tabla anterior,
la fibra tratada químicamente tiene una mayor actividad acelerante que la no tratada.
Este fenómeno podría explicarse debido a la distinta disponibilidad superficial de los
átomos de azufre, siendo mayor en las fibras tratadas al estar en su forma –SH o -SNa.
Debe tenerse en cuenta que las fibras poseen un 6% de azufre y en principio sólo sería
activo el azufre presente en la superficie de las mismas, de ahí que su efecto
acelerante no sea muy intenso, evitando un impacto excesivo sobre los tiempos de
vulcanización en los procesos de producción.
Fig.1 Comparación de tiempos de vulcanización
Los valores del par máximo indican la oposición que ejerce la mezcla al giro en
un rotor una vez vulcanizada. Este parámetro muestra que las mezclas que contienen
fibra no tratada químicamente una vez vulcanizadas, presentan una consistencia algo
mayor (Fig.2). Un aumento de los valores del par máximo suele llevar asociado una
mejora en las propiedades mecánicas, mostrando normalmente la misma tendencia
que los valores del módulo a bajas deformaciones.
Fig.2 Comparación del par máximo

3. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
El porcentaje de reversión indica la degradación a la que se ve sometido el
material por efecto del esfuerzo mecánico y la temperatura una vez vulcanizada
completamente la muestra. Esta degradación viene provocada por la rotura progresiva
de los puentes polisulfuro formados durante la vulcanización. Las muestras con una
mayor densidad de entrecruzamiento serán aquellas que sufrirán una mayor reversión
(Fig.3). Los resultados muestran que las fibras tratadas químicamente además de
producir un efecto acelerante más intenso, también generan una mayor cantidad de
puentes polisulfuro mostrando una mayor reversión, siendo el comportamiento típico
de una sustancia acelerante.
Fig.3 Comparación de la reversión
3. PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas dan a conocer el comportamiento de las mezclas
sometidas a un esfuerzo mecánico, permitiendo evaluar el refuerzo de la matriz por
parte de las fibras.
El ensayo de dureza sirve para evaluar la resistencia de un material al ser
incidido por un penetrador, mostrando la capacidad de refuerzo de la matriz a bajas
deformaciones cuando el material trabaja en compresión. Los resultados indican que a
medida que aumenta el contenido de fibra aumenta la dureza (Tabla. 2).
DUREZA
Escala Shore A 43,6 38,8 38,0 41,2 41,3 44,8
Tabla.2 Valores de dureza
Estos valores de dureza indican que las fibras no tratadas químicamente
exhiben una mayor dureza, llegando a superar a la mezcla que posee mayor contenido
en acelerante principal (Fig.4). Esta observación estaría relacionada con la integridad
de las fibras sometidas al tratamiento químico, disminuyendo su capacidad de refuerzo
debido a su mayor degradación.
Fig.4 Comparación de la dureza

4. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
El ensayo de tracción permite conocer la respuesta mecánica cuando se ejerce
un esfuerzo en tensión, proporcionando información sobre la rigidez, la capacidad de
refuerzo en el estiramiento y alargamiento del material. Los valores obtenidos de los
parámetros característicos de este ensayo se muestran en la Tabla 3.
ENSAYO DE TRACCIÓN
CSIC - 5 PROBETAS (media de los 3 mejores valores)
Módulo 100% (Mpa) 1,27 0,84 0,87 1,02 0,88 1,06
Módulo 300% (Mpa) 2,85 1,94 1,90 2,26 1,95 2,18
Módulo 500% (Mpa) 9,74 4,48 4,07 5,68 4,92 5,05
Esfuerzo máximo (Mpa) 27,2 22,1 17,3 21,8 9,5 9,1
Alargamiento máximo (%) 683 797 777 720 623 657
MGN - 1 PROBETA
Módulo 100% (Mpa) 1,06 0,75 0,79 0,96 0,84 0,94
Módulo 300% (Mpa) 3,11 2,06 2,09 2,35 1,89 2,02
Módulo 500% (Mpa) 11,22 6,21 8,76 7,13 4,95 5,05
Esfuerzo máximo (Mpa) 19,7 22,4 13,3 13,3 13,6 15,0
Alargamiento máximo (%) 584 635 558 571 645 670
Tabla.3 Parámetros característicos del ensayo en tracción
NOTA: En rojo se indican los valores que son menores que el real debido a un
deslizamiento o rotura prematura de la probeta en el interior de las mordazas.
Los valores del módulo al 100% de elongación indican una buena concordancia
en el comportamiento exhibido en las pruebas realizadas en el CSIC con la prueba
realizada en MGN. A pesar de que los valores de los módulos ligeramente diferentes se
aprecia la misma tendencia, la cual indica que al aumentar el contenido de fibras
aumenta la rigidez de la muestra (Fig. 5). Como puede observarse en la figura, resulta
evidente que las fibras no tratadas químicamente ejercen una mayor resistencia a la
tracción que las fibras que han sido sometidas a tratamiento químico debido a una
mayor integridad en su estructura macroscópica (fibras sin degradación química).
Fig.5 Comparación del módulo 100%
Los valores del módulo al 300% de elongación también exhiben una buena
concordancia entre las distintas pruebas realizadas. En la comparación de estos valores
se pueden realizar las mismas observaciones anteriores sobre el contenido y tipo de
fibra que resulta en un mayor refuerzo de la matriz, confirmando los datos obtenidos
del módulo al 100% de elongación (Fig.6).

5. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
Fig.6 Comparación del módulo 300%
Los valores del módulo al 500% de elongación muestran en este caso una
discordancia tanto en los valores como en la tendencia observada en los módulos
anteriores. Estos resultados no suelen ser tan precisos como los anteriores ya que se
trata de un esfuerzo aplicado a elevadas deformaciones que pueden verse altamente
influenciados por fenómenos de microrroturas provocadas por la presencia de
burbujas de aire, una presión inadecuada sometida en las mordazas o bien un
deslizamiento de la probeta por problemas de agarre. Aún así puede observarse el
efecto de refuerzo proporcionado por las fibras en los resultados de las pruebas
realizadas en el CSIC (Fig.7).
Fig.7 Comparación del módulo 500%
El esfuerzo máximo nos indica la resistencia del material cuando se encuentra
en una situación límite de rotura. Los valores obtenidos muestran bastante
discordancia entre las dos pruebas realizadas, mostrando una tendencia similar, la cual
indicaría que los materiales que han sido reforzados con fibras poseen una menor
resistencia a rotura (Fig.8). No obstante, hay que tener en cuenta que los factores
señalados que afectan al módulo a 500% de elongación son ahora mucho más intensos
en esta situación límite, proporcionando resultados que serían contrarios a los
esperados de un material reforzado. Se necesitarían análisis adicionales para poder
evaluar la información de este parámetro debido a los fallos de sujeción de la probeta.
Fig.8 Comparación del esfuerzo máximo

6. PROYECTO INCORPORACION DE FIBRAS BIOLOGICAS DE QUERATINA EN CAUCHO NATURAL
Los resultados del alargamiento máximo indican la capacidad elástica de un
material al verse sometido a un esfuerzo en la situación límite de rotura. En este caso
tampoco se puede observar concordancia alguna entre las dos pruebas, ni tan siquiera
en la tendencia mostrada (Fig.9) por los mismos fenómenos mencionados
anteriormente. Cabría esperar una disminución en el alargamiento a rotura al
aumentar el contenido de fibras por efecto del refuerzo tal y como se muestra en las
pruebas realizadas en el CSIC, siendo el comportamiento típico de un agente
reforzante.
Fig.9 Comparación del alargamiento máximo
4. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
Se ha constatado que las fibras empleadas poseen una evidente capacidad
reforzante que puede atribuirse principalmente a un efecto de refuerzo físico y un
ligero efecto acelerante, siendo este efecto más intenso en las fibras tratadas
químicamente, aunque también podría producirse un posible entrecruzamiento por
parte de las fibras con la matriz. El entrecruzamiento de las fibras con la matriz debería
estudiarse más a fondo con otras técnicas de análisis para poder evaluar este
mecanismo de refuerzo.
El efecto reforzante de tales fibras no ejercería demasiada influencia sobre el
proceso de producción ya que en la vulcanización que no existen grandes variaciones
en los parámetros del tiempo de vulcanización ni de la consistencia del material al ser
procesado. Este aditivo podría ser empleado como un sistema de refuerzo auxiliar que
permitiría rebajar el precio del material final debido al bajo coste de la materia prima y
reducir la cantidad de otros aditivos reforzantes, pudiendo mejorar otras propiedades
que deberían estudiarse con las formulaciones establecidas para cada aplicación
comercial. Para poder establecer una comparación con otros sistemas reforzantes de
una forma más precisa, deberían emplearse otras formulaciones que posean algún
otro aditivo reforzante, teniendo en cuenta los posibles efectos de sinergia o
incompatibilidades entre sistemas de refuerzo.
Los resultados mostrados anteriormente sugieren que el material aquí
desarrollado sería adecuado para aplicaciones que requieran de un refuerzo en
situaciones en la que el material se ve sometido a un esfuerzo producido a bajas
deformaciones, siendo las aplicaciones en compresión las que probablemente
proporcionen mejores resultados tal y como sugieren los resultados de dureza y rigidez
a bajas deformaciones, sin descartar aquellas aplicaciones que requieran un material
que trabaje a altas y bajas temperaturas. Este último aspecto también debe estudiarse
con más detalle empleando técnicas de análisis termomecánico.