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Caracterizacion y evaluacion del tiempo de vulcanizacion de caucho natural colombiano obtenido de tres variedades clonales de hevea brasiliensis.

Characterization and evaluation of vulcanization time for colombian natural rubber from three hevea brasiliensis tree clones

1. Introduccion

La mejora de los arboles hevea brasiliensis para la produccion de caucho natural a nivel industrial se logra incorporando nuevas variedades geneticas, y Colombia no es la excepcion, buscando especialmente la resistencia a enfermedades como el tizon de la hoja en Suramerica (Sterling & Rodriguez 2011). En la ultima decada en algunas regiones de Colombia se han implementado cultivos de caucho natural de gran envergadura, dado que constituyen una alternativa socio-economica de alto impacto para las regiones que cultivan y para el sector industrial que lo consume. De acuerdo con las ultimas estadisticas consolidadas por el Ministerio de Agricultura colombiano, el area cultivada con caucho en el pais ha aumentado de 2.500 hectareas en 2007 a 7.500 hectareas en 2011, con una tasa de crecimiento promedio del 27% (Agronet 2011), por lo cual se requiere avanzar en el conocimiento de los cauchos naturales producidos en las diferentes regiones del pais y generar informacion suficiente para la utilizacion en procesos industriales de manera confiable. Tres variedades clonales de origen brasileno identificadas como FX 3864, IAN 873 y IAN 710, son cultivadas ampliamente en el pais gracias a su resistencia al mal suramericano de la hoja (Sterling & Rodriguez 2011), sin embargo, solo se conoce un estudio sobre los cauchos producidos por estos clones en Colombia (Urrego et al. 2012), mientras que para cauchos naturales brasilenos o asiaticos se reporta que las caracteristicas fisicoquimicas del material obtenido dependen de la variedad clonal de origen (Oliviera et al. 2004, Oliviera et al. 2006, Gonsalves 2001, Olviera et al. 2003, Martins et al. 2008, Dall'Antonia et al. 2009). Es bien identificado tambien que las propiedades mecanicas de los compuestos de caucho vulcanizado dependen de las condiciones de proceso, los componentes de la formulacion y los cauchos base (Vergnaud & Rosca 2010).

El objetivo de este trabajo es identificar las caracteristicas fisicoquimicas de tres tipos de caucho natural producidos en una subregion colombiana, asi como la procesabilidad y las propiedades mecanicas de una formulacion basada en esos materiales y compararlos con un caucho tecnicamente especificado colombiano y uno guatemalteco. Tambien se evalua una metodologia que permita a la industria determinar en la planta de produccion los tiempos optimos de vulcanizacion de las piezas moldeadas.

2. Metodologia

Materiales

Se extrajo latex de 8 arboles de cada una de las tres variedades clonales de hevea brasiliensis estudiadas--FX3864, IAN 873 e IAN 710- cultivados en el valle de Santa Clara, municipio de Taraza en el Departamento de Antioquia, Colombia. Se seleccionaron arboles de 14 anos de edad, 8 anos de explotacion y beneficiados por el sistema D2, es decir, sangrados cada dos dias. El latex fue coagulado durante 24 horas con una solucion de agua con acido acetico diluido al 1% en volumen, luego fue lavado para eliminar el acido acetico residual y asi proceder con la laminacion en un equipo de rodillos abiertos, para finalmente secar durante 8 dias bajo techo pero al aire libre. Para efectos comparativos, se estudio tambien caucho guatemalteco SGR 10 y caucho tecnicamente especificado proveniente de Caqueta--Colombia adquirido en distribuidoras comerciales. Se uso la formulacion de la Tabla 1, buscando una dureza de 60 Shore A pretendiendo usar un compuesto industrial.

Procedimiento experimental

Las laminas de caucho natural se analizaron por espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), calorimetria diferencial de barrido (DSC) y analisis temogravimetrico (TGA), metodos usados en trabajos sobre la caracterizacion de caucho natural (Forrest et al. 1997, Brazier 1980). El analisis por FTIR se efectuo en un equipo Perkin Elmer Spectrum One, a 24[grados]C, en un rango de 4000 a 450 [cm.sup.-1] aplicando 60 barridos. El analisis por DSC se efectuo en un equipo Q200 V24.2 Build 107 aplicando un borrado termico hasta 250[grados]C y luego enfriando desde temperatura ambiente a una velocidad de 20[grados]C/min hasta -80[grados]C y luego efectuando un analisis por DSC modulado (MDSC) con una senal de 1.27[grados]C/min aplicando un calentamiento de 2[grados]C/min hasta temperatura ambiente. El analisis por TGA se realizo en un equipo Q500 V20.8 Build 34 InstrSerial 05001190, aplicando una velocidad de calentamiento de 20[grados]C/min entre 25 y 900[grados]C.

La mezcla se realizo en un molino de rodillos de tipo abierto a temperatura ambiente inicialmente durante 4 a 5 minutos, incorporando los aditivos diferentes a los acelerantes durante entre 6 y 8 minutos y por ultimo se adicionaron los acelerantes para la homogeneizacion final entre 2 y 4 minutos, obteniendo laminas con un espesor aproximado de 2,5 a 3 mm. Las mezclas fueron realizadas el mismo dia y en las mismas condiciones, buscando variar unicamente el tipo de caucho natural base. De los compuestos crudos se tomaron muestras para efectuar pruebas de reometria de vulcanizacion a 160[grados]C bajo norma ASTM D5289 (ASTM 2007).

Se procedio a determinar los tiempos optimos de vulcanizacion de las 5 mezclas para dos geometrias de probeta: cilindros de 29 mm de diametro y 12.5 mm de altura para acogerse a la norma ASTM D395 (ASTM 2008), y probetas tipo corbatin para ensayos de tension segun norma ASTM 412 (ASTM 2008). Las probetas se vulcanizaron en moldes a 160[grados]C en una prensa de accionamiento hidraulico y calentamiento por resistencias electricas, fabricando tres probetas para cada condicion de proceso moldeando los cilindros durante 4.5, 5.0, 5.5, 6.0 y 6.5 minutos y las probetas tipo corbatin durante 6.5, 7.0, 7.5, 8.0 y 8.5 minutos, tiempos que fueron seleccionados de acuerdo a los resultados de las pruebas preliminares.

Las probetas cilindricas se vulcanizaron en un molde de una sola cavidad, mientras que para obtener las muestras tipo corbatin se utilizo un molde circular con una cavidad de 30 cm de diametro y 3.5 mm de altura, de tal forma que el disco vulcanizado se troquelaba para obtener las probetas con geometria segun ASTM 412. Para cada condicion de ensayo se fabricaron 3 probetas, seleccionando 2 aleatoriamente para ser sometidas a pruebas mecanicas y almacenando la restante como probeta testigo.

Las probetas cilindricas se sometieron a compresion uniaxial bajo norma ASTM D575 (ASTM 2007) evaluando el modulo elastico; las probetas tipo corbatin se sometieron a tension segun norma ASTM 412 determinando el modulo al 100%. Para cada material y cada geometria se determino el tiempo optimo de vulcanizacion, identificando el punto de inflexion en las graficas modulo elastico versus tiempo de vulcanizacion.

Determinacion de propiedades mecanicas

Usando el mismo procedimiento de moldeo senalado en la seccion anterior, pero empleando el tiempo de vulcanizacion optimo que se determino, se fabricaron para cada material cinco probetas cilindricas de 12.5 [+ o -] 0.5 mm de espesor y 29.0 [+ o -] 0.5 mm de diametro. Se seleccionaron aleatoriamente tres probetas y se sometieron a ensayos de compresion uniaxial bajo norma ASTM D575 utilizando una maquina universal de ensayos DIGIMESS deformando las probetas 2 mm a una velocidad de 20 mm/ minuto. Para cada mezcla se moldearon tambien cinco probetas de tension y se seleccionaron aleatoriamente tres probetas que se sometieron a tension bajo norma ASTM 412 en una maquina universal DIGIMESS empleando una velocidad de mordazas de 500 mm/minuto, alcanzando el desplazamiento maximo que permite la maquina. En los ensayos de tension se determino el modulo al 100% y el modulo al 300%, y a las probetas se les midio dureza bajo norma ASTM D2240 (2010) y densidad bajo norma ASTM D792 (2008). Para identificar variaciones debidas al mezclado de los materiales se efectuo un analisis tipo ANOVA con el fin de evaluar si existian diferencias entre las densidades de las probetas cilindricas y tipo corbatin. Se fabricaron probetas para pruebas de compression-set bajo norma ASTM D395 metodo B, pruebas efectuadas a 70[grados]C por un periodo de 72 horas en un horno de aire circulante marca BINDER.

[FIGURA 1 OMITIR]

3. Resultados y discusion

Los resultados del analisis por FTIR se muestran en la Figura 1, graficando la transmitancia relativa con el fin de visualizar los espectros con mayor claridad.

Los picos en las regiones proximas a 2850 y 2920 [cm.sup.-1] corresponden a los estiramientos simetrico y asimetrico del grupo metilo, y en la region de 2960 [cm.sup.-1] se encuentra el estiramiento simetrico y asimetrico del C-H en el grupo funcional C[H.sub.3]. En la region de 1660 y 1544 [cm.sup.-1] se observa vibracion de estiramiento asociado al doble enlace C=C, en 1444 y 1376 [cm.sup.-1] vibracion de deformacion asimetrica y simetrica del C-H en el grupo metilo, en 1126 [cm.sup.-1] vibraciones del esqueleto C-C, en 1036 [cm.sup.-1] deformacion axial del enlace C-CH en el plano, en 840 [cm.sup.-1] un pico fuerte asociado a la flexion del C-H fuera del plano en el grupo funcional C=C que se describe como tipica de la cadena del cis-1,4 y en 756 [cm.sup.-1] un pico que correspondeF a vibraciones del enlace C-C en el grupo funcional--(C[H.sub.2])x--.Las tres variedades clonales cultivadas en Taraza poseen espectros muy similares a los cauchos tecnicamente especificados de Caqueta y SGR 10, con las bandas atribuibles al poli(cis-1,4-isopreno), pero se encuentran diferencias en las intensidades de algunas bandas como 2962, 2918, 2852, 1444, 1376, 842 y 756 [cm.sup.-1] que son representativas del caucho natural, Forrest et al (1997), diferencias que posteriormente seran consideradas para el analisis de los demas resultados obtenidos en el trabajo. Los picos de absorcion a 1658 y 1544 [cm.sup.-1] son mas fuertes en el IAN873 y el FX3864 que en los demas materiales, siendo menos fuertes en el IAN710 y con las menores intensidades en los cauchos de Caqueta y el SGR10.

La tabla 2 presenta las temperaturas de transicion vitrea (Tg) de los materiales, obtenidos por MDSC, en la cual se puede observar que los resultados son muy similares para los materiales estudiados.

La figura 2 muestra las curvas de TGA obtenidas, encontrando que la descomposicion comienza aproximadamente a 300[grados]C y termina a temperaturas proximas a los 550[grados]C perdiendo en el proceso alrededor del 99% de la masa, observandose el hombro tipico de los cauchos naturales, Brazier (1980).

El IAN710 mostro una temperatura de descomposicion termica significativamente mas baja que los demas materiales, y el IAN873 y el FX3864 muestran unas temperaturas de descomposicion mas alta que los demas materiales. Al terminar el analisis se encontraron residuos entre 0.2% y 0.6% en peso, siendo el contenido mas bajo para el IAN710 (0.22 %) y el contenido mas alto para el FX3864 (0.60 %). El residuo obtenido despues de la degradacion termo-oxidativa a 550[grados]C se asocia a cenizas comunes en el latex al salir de la corteza o impurezas que contaminaron el latex durante la extraccion y coagulacion en la plantacion.

Se obtuvieron las mezclas crudas y se determino su densidad, obteniendo valores entre 1.09 y 1.11 gr/[cm.sup.3] sin que se observara efecto de la variedad clonal; el coeficiente de variacion maximo encontrado al considerar cada mezcla fue de 0.5%, y un analisis ANOVA permitio confirmar que el tiempo de vulcanizacion no tuvo efecto en la densidad y por lo tanto la variabilidad inherente al proceso de pesaje de los componentes de formulacion y masticacion en molino no genero una diferencia estadisticamente significativa entre los componentes de las mezclas.

La figura 3 muestra los resultados de las pruebas de reometria de vulcanizacion a las 5 mezclas.

Se observan diferencias significativas entre las reometrias de las mezclas, encontrando que la formulacion con IAN 710 presento el mejor tiempo de procesabilidad y el mayor torque, es decir, el mejor resultado. La mezcla con SGR 10 presenta el segundo mejor tiempo de proceso, pero con un torque maximo similar a la mezcla con FX3864, siendo ambos inferiores al de la mezcla con IAN 873. La mezcla con material de Caqueta presenta un tiempo scorch y t90 ligeramente inferiores a los de la mezcla con FX3864, pero con el menor torque de todas las mezclas. En todos los casos se observo la reversion tipica del caucho natural.

Los tiempos optimos de vulcanizacion para las geometrias cilindrica y tipo corbatin se determinaron evaluando dureza, propiedades determinadas en pruebas de tension y compresion uniaxial. El efecto del tiempo de vulcanizacion en la dureza de ambos tipos de geometria se muestra en la figura 4, y la variacion del modulo elastico bajo compresion y del modulo al 100% con el tiempo de vulcanizacion se muestra en la figura 5.

Las curvas presentan un maximo al variar el tiempo de vulcanizacion, lo cual se asocia a la reversion del caucho natural. Los tiempos optimos de vulcanizacion varian segun la mezcla, recordando que el modulo elastico bajo compresion uniaxial y el modulo al 100% en tension son mas representativos de los compuestos vulcanizados que la dureza Shore A, que toma mediciones localizadas de caracter superficial aunque es una prueba de amplia aplicacion industrial dada su facil realizacion en planta, como control de calidad. En las probetas cilindricas se observo que los menores tiempos de vulcanizacion corresponden al SGR 10 y al caucho de Caqueta, seguido por el IAN 873; las mezclas con IAN 710 y FX 3864 presentan el mayor tiempo optimo de vulcanizacion. En las probetas tipo corbatin los menores tiempos optimos de vulcanizacion se encontraron para el SGR 10, el IAN 873 y el FX3864, y los mayores tiempos se observaron para las mezclas con IAN 710 y material del Caqueta.

Con las condiciones optimas de vulcanizacion para cada mezcla se procedio a fabricar las probetas para pruebas de tension, compresion y compression-set. En la figura 6 se muestran los resultados de estas pruebas.

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

La mezcla con IAN710 muestra las menores propiedades mecanicas de los materiales estudiados, mientras que las propiedades de las mezclas con SGR10 y FX3864 son superiores a las de los demas materiales, y son muy similares entre si. Las mezclas con cauchos del Caqueta e IAN873 presentan propiedades intermedias y muy similares entre si. El caucho obtenido con SGR10 presento el menor compression-set, el material de Caqueta y el FX3864 valores superiores y los materiales con la peor respuesta a deformaciones permanentes son el IAN873 y el IAN710.

4. Conclusiones

Los resultados encontrados indican que existen diferencias representativas entre las propiedades mecanicas de los materiales analizados, observando que el caucho proveniente de la variedad clonal FX3864 presenta propiedades superiores a las otras dos variedades clonales cultivadas en el Valle de Santa Clara, alcanzando valores muy similares a los del caucho tecnicamente especificado SGR10 proveniente de Caqueta. En cuanto a la procesabilidad de la mezcla determinada por reometria de vulcanizacion y por la determinacion de los tiempos optimos de vulcanizacion, tambien se detectan diferencias apreciables entre los compuestos, aspecto que sumado a la diferencia en propiedades mecanicas debe ser considerado por los cultivadores al momento de seleccionar las variedades clonales a explotar en la region, asi como por la industria cauchera con miras a estandarizar sus procesos de produccion.

El analisis por FTIR y por MDSC no permitio asociar las diferencias en propiedades encontradas a diferencias entre los espectros y la temperatura de transicion vitrea, por lo cual se plantea efectuar en el futuro cercano un estudio detallado al respecto. El analisis por TGA demostro que el caucho proveniente de la variedad clonal IAN 710 presenta la menor temperatura de descomposicion, mientras que los cauchos de las variedades FX3864 e IAN 873 presentan las mayores temperaturas de descomposicion entre los cauchos estudiados, una demostracion mas de las diferencias entre propiedades de estos materiales.

Los cultivadores de caucho natural en Colombia deben efectuar modificaciones al metodo de seleccion de las variedades clonales a cultivar, dado que en los resultados de este trabajo han demostrado que las caracteristicas de los materiales obtenidos son sensibles al tipo de clon de origen del caucho natural. En la region de estudio el caucho proveniente de la variedad clonal FX3864 demostro poseer las mejores propiedades mecanicas y la mejor estabilidad termica, superando a los otros dos materiales, mientras que el IAN 710 demostro poseer propiedades significativamente mas bajas. Deben efectuarse nuevos estudios que evaluen el efecto de las condiciones climaticas como temperatura ambiente y humedad en las propiedades de los cauchos naturales producidos, tal y como lo han realizado investigadores del area del caucho principalmente de paises con gran tradicion cauchera.

Se planteo una metodologia para la determinacion de tiempos optimos de vulcanizacion de mezclas de caucho que puede ser utilizada en piezas vulcanizadas en plantas de produccion, como una alternativa a la practica mas tradicional de determinar la dureza Shore A, metodologia que demostro ser sensible al tipo de caucho natural usado en cada formulacion.

La industria cauchera, en este caso la colombiana, debe estar permanentemente atenta a las propiedades de los cauchos naturales que usan como materia prima dado que las caracteristicas de este tipo de materiales dependen del tipo de variedad clonal de origen, evidenciando la necesidad de fortalecer el trabajo conjunto con los cultivadores de la region de tal manera que ambos sectores se ven beneficiados mutuamente mediante el mejoramiento de sus procesos.

5. Referencias bibliograficas

AGRONET & SEA (Red de Informacion y Comunicacion Estrategica del Sector Agropecuario & Sistema de Estadisticas Agropecuarias). (2011). Produccion de Caucho en Colombia, 2007-2011. http://www.agronet.gov.co/www/htm3b/ReportesAjax/VerReporte.aspx.

ASTM D5289-07a. (2007) Standard Test Method for Rubber Property-Vulcanization Using Rotorless Cure Meters.

ASTM D395-03. (2008). Standard Test Methods for Rubber Property--Compression Set.

ASTM D412. (2008). Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers--Tension.

ASTM D575-91. (2007). Standard Test Methods for Rubber Properties in Compression.

ASTM D2240-05. (2010). Standard Test Method for Rubber Property--Durometer Hardness.

ASTM D792-08. (2008). Standard Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement.

Brazier, D. W. (1980). Applications of thermal analytical procedures in the study of elastomers and elastomer system. Rubber Chem. Technol. 53, 437-511.

Dall'Antonia, A.C., Martins, M. A., Moreno, R., Gonsalves, P., Mattoso, L.H. & Job, A.E. (2009). Caracterizando Mecanica e Termica da Borracha Natural Formulada e Vulcanizada dos Clones: GT 1, IAN 873, PB 235 e RRIM 600. Ciencia e Tecnologia 19(1), 63-71.

Forrest, M., Davies, Y., & Davies, J. (1997). The RAPRA collection of infrared spectra of rubbers practics and thermoplastic elastomers, 2nd edition, by Rapra technology limited.

Gonsalves, P.S., Bortoletto, N., Furtado, E.L., Sambugaro, O.C. & Bataglia, A.A. (2001). Desempenho de clones de seringueira da serie IAC300 selecionados para a regido noroeste do estado de Sdo Paulo, Pesquisa Agropecuaria Brasileira (Brasilia) 36 (4), 589-598.

Martins, M. A., Moreno, R., Colleen M., McMahan, C.M.,. Brichta, J.L., Gonsalves, P. & Mattoso, L.H. (2008). Thermooxidative study of raw natural rubber from Brazilian IAC 300 series clones. ELSEVIER. Thermochimica Acta 474. 62-66.

Oliviera, L. C. S., Arruda, E. J., Costa, R. B., Gonsalves, P. S. & Delben, A. (2003). Evaluation of latex from five Hevea clones grown in Sao Paulo State, Brazil. ELSEVIER. Thermochimica Acta 398. 259-263.

Oliviera, L. C. S., Arruda, E. J., Favaro, S.P., Costa, R. B., Gonsalves, P. S. & Job, A.E. (2006). Evaluation of thermal behavior of latex membranes from genetically improved rubber tree (Hevea brasiliensis). Thermochimica Acta 445. 27-31.

Oliviera, L. C. S., Rosa, D. P., Arruda, E. J., Costa, R. B., Gonsalves, P. S. & Delben, A. (2004). Comparative studies of latex obtained of rubber tree clones (Hevea Brasiliensis)--Series IAC 328 Votuporanga--sp. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 75, 495-500.

Sterling, A. & Rodriguez, C.H. (2011). Nuevos clones de caucho natural para la Amazonia colombiana: enfasis en la resistencia al mal suramericano de las hojas (Microcyclus ulei). Instituto Amazonico de Investigaciones Cientificas - Sinchi, 196.

Urrego, W., Giraldo. D., Alvarez & Lainez, M. (2012). Analisis cuantitativo por FTIR y evaluacion comparativa de la descomposicion termica de tres variedades de caucho natural colombiano. XIII Simposio Latinoamericano de Polimeros SLAP y XI Congreso Iberoamericano de Polimeros. Bogota, Colombia.

Vergnaud, J.M. & Rosca, I. D. (2010). Rubber curing and properties, CRC Press, Boca Raton-USA. 249.

Sandra M. Velasquez *, Diego H. Giraldo **

* Grupo de Investigacion BIOMATIC. SENA, Antioquia, COLOMBIA.

** Grupo GIPIMME, Facultad de Ingenieria, Universidad de Antioquia, COLOMBIA.

* smvelasquez@sena.edu.co ** dhernan.giraldo@udea.edu.co

Recibido: 08 de agosto de 2013--Aceptado: 14 de julio de 2014
Tabla 1. Composicion de la formulacion de
Caucho Natural.

COMPONENTE               CANTIDAD (PHR)

Caucho Natural                 100
Silice granulada               20
Oxido de Zinc                   5
Acido estearico                 3
Negro de Humo 330              20
Colofonia                       5
Aceite naftenico medio         10
Polietilen Glicol              10
Antioxidante                   1,5
Azufre                          3
TBBS *                          1
TMTD **                        0,4

* Sulfenamida N-tert-butyl-2- benzotiazol

** Disulfuro de Tetrametiltiurum

Tabla 2. Temperaturas asociadas a la transicion
vitrea (Tg) de los materiales estudiados.

Material   Tg inicial     Tg final         Tg
           ([grados]C)   ([grados]C)   ([grados]C)

FX3864       -66.65        -64.86        -63.01
IAN 710      -67.45        -65.45        -63.80
IAN 873      -67.08        -64.98        -63.24
Caqueta      -67.12        -63.34        -64.98
SGR10        -66.85        -64.92        -63.07

Figura 2. TGA comparativo de los cinco caucho
naturales.

Material   Temperatura de     % de
           descomposicion    residuo

IAN 710    425.22[grados]C    0.31
SGR10      426.97[grados]C    0.60
IAN 873    378.43[grados]C    0.22
Caqueta    387.55[grados]C    0.50
FX3864     397.65[grados]C    0.56

Figura 3. Curvas reometricas comparativas de las
cinco mezclas efectuadas con los cauchos naturales
estudiados.

Material    Tiempo
            Scorch        t90
           (min:seg)   (min:seg)

IAN 710      1:18        2:10
SGR10        1:30        2:10
IAN 873      1:44        2:46
Caqueta      1:46        2:25
FX3864       1:48        2:35
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Author:Velasquez, Sandra M.; Giraldo, Diego H.
Publication:Ingenieria y Competividad
Date:Dec 1, 2014
Words:3943
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