avances en la identificación química de polímeros en las

AVANCES EN LA IDENTIFICACIÓN QUÍMICA DE POLÍMEROS EN LAS
CARPETAS ASFÁLTICAS COLOCADAS EN CARRETERAS
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2
3
Bernal Vélez Luis Antonio , Reyes Zapata Sergio Noé , Amador Ramírez Patricia ,
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5
González Álvarez Carmen , Cruz González Luis A.
1
Facultad de Ingeniería Química, BUAP.
Facultad de Ingeniería Química, BUAP.
3
Depto. Fisicoquímica, Facultad de Ciencias Químicas, BUAP.
4
Depto. Fisicoquímica, Facultad de Ciencias Químicas, BUAP.
5
Laboratorio Central, Asfaltos modificados, SemMaterials México.
2
RESUMEN
En el presente trabajo se muestra la identificación de tipo cualitativo de polímeros adicionados
al asfalto con la intención de generar datos de referencia (o patrones), implementando
herramientas de carácter físico – químico tales como: métodos de separación de componentes,
espectroscopia infrarroja y cromatografía de capa fina. En esta investigación, empleamos
ligantes asfalticos recuperados de mezclas para diseños de laboratorio, así como mezclas
colocadas en campo cuyo ligante asfaltico fue modificado con polímeros de tipo: SB, SBS y EGA,
en ambos casos.
INTRODUCIÓN
El empleo de asfaltos modificados con polímeros ha proliferado a gran velocidad para su
aplicación en pavimentos; sin embargo, algunos proveedores de dichos materiales, en México,
han incurrido en malas prácticas de forma tal que, en algunas ocasiones, la adicción de
polímeros al asfalto no se cumple o no se cuenta con la concentración necesaria para mejorar el
desempeño requerido en las especificaciones de asfaltos modificados con polímero, resultando
aun más problemático el reconocer la influencia del polímero en el asfalto cuando éste ya ha
sido colocado o tendido como parte del pavimento.
Por ello, verificar y validar que el ligante asfáltico esté modificado con polímero es un reto
técnico que va mucho más allá de las propias pruebas de calidad especificadas para ligantes
asfálticos en nuestro país. De esta forma, la puntual identificación de modificadores poliméricos
resultará en un avance para el control estricto de calidad y que fortalecerá las capacidades
técnicas de los laboratorios de control de calidad y otras dependencias de gobierno.
De esta forma, el desarrollar métodos y técnicas aptas de identificación de compuestos
químicos y materiales poliméricos que se emplean en la modificación del asfalto se vuelve una
de las prioridades altamente sustentables para los parámetros de calidad.
1
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una metodología confiable que nos permita determinar “cualitativamente” la
presencia de polímeros empleados en la modificación de un asfalto para pavimentación.
Objetivos Particulares:
 Obtener y estudiar los espectros característicos de los polímeros empleados en la
modificación de un asfalto con la técnica FTIR (espectroscopia infrarroja con ajuste de la
ecuación de transformación de Fourier).
 Identificar con precisión las bandas características de los co-polimeros que son
comúnmente empleados para la modificación de propiedades del asfalto.
MARCO TEORICO
Espectroscopia de Infrarrojo
Un espectrofotómetro infrarrojo mide la frecuencia de la luz infrarroja que es absorbida por un
compuesto, puesto que los átomos involucrados en la tensión y flexión determinarán la
frecuencia. El IR se utiliza en su mayor parte para identificar la presencia de grupos funcionales
en una molécula.
Espectro Electromagnético
Se le llama espectro electromagnético al intervalo de todas las frecuencias posibles, desde cero
hasta el infinito. En la práctica, en el espectro se representan desde las bajas frecuencias de
radio hasta las altas frecuencias de los rayos gamma.
Figura 1. Regiones del espectro electromagnético.
Las distintas longitudes de onda tienen diferentes energías y las energías tienen distintos
efectos moleculares. Los rayos X provocan la ionización de las moléculas debido a su alta
energía, mientras que las microondas afectarán al movimiento rotacional de la molécula. Los
2
rayos de infrarrojos provocarán vibraciones moleculares. Cuanto más elevada es la frecuencia,
más corta es la longitud de onda.
Vibraciones Moleculares
Si el enlace se alarga, aparece una fuerza restauradora que hace que los dos átomos tiendan a
juntarse hasta su longitud de enlace de equilibrio. Si el enlace se comprime, la fuerza
restauradora hace que los átomos se separen. Cuando el enlace se alarga o se comprime, y a
continuación se deja en libertad, los átomos vibran.
Figura 2. Vibraciones moleculares.
Las vibraciones moleculares dependen de las masas de los átomos. Los átomos pesados vibran
lentamente, por lo que tendrán una frecuencia más baja que los átomos más ligeros. La
frecuencia de una vibración disminuye al aumentar la masa atómica. La frecuencia también
aumenta con la energía de enlace, por lo que un doble enlace C=C tendrá una frecuencia más
elevada que un enlace sencillo C-C.
Tabla 1. Frecuencias de Tensión de Enlaces.
3
Tensión y Flexión de los Enlaces
Figura 3. Diferentes movimientos presentes en las moléculas.
La tensión puede ser simétrica cuando los dos enlaces O-H se alargan al mismo tiempo. En una
tensión asimétrica un enlace O-H se alarga, mientras que el otro enlace O-H se comprime. La
flexión, también conocida como movimiento en tijereta, se produce cuando el ángulo H-O-H
disminuye y aumenta pareciendo unas tijeras.
METODOLOGÍA DESARROLLADA
DESARROLLO EXPERIMENTAL
La presente investigación se desarrolla en el análisis de los siguientes materiales:
a)
b)
c)
d)
Polímeros.
Asfaltos convencionales (clasificación AC-20).
Asfaltos modificados con polímero.
Mezclas
Y cuya preparación consistió de las siguientes etapas:
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1. Polímeros
Esta etapa consistió en realizar pruebas de espectroscópica FTIR a los diferentes tipos de
polímero con el objetivo de generar la experiencia cualitativa suficiente y así identificar las
bandas característica y las regiones de interés de los polímeros en cuestión; esto facilita
posteriores identificaciones para los casos de asfaltos modificados con polímero. La
preparación de las muestras consistió en pesar 0.5 g de cada polímero para disolverlo en 8 mL
de disulfuro de carbono (CS2), la concentración promedio de las disoluciones de polímero en
CS2 fue de 0.065 g/ml.
Los polímeros utilizados se describen en la tabla 1.
Tabla 1. Características de Polímeros Utilizados
Polímeros
Característica
de Peso
Familia
Estructura
Ubicación por Pesos
Moleculares
LMw
HMw
vHMw
+vHMw
SB
SB
SB
SBS
Lineal
Lineal
Lineal
Radial
Bajo Peso Molecular
Alto Peso Molecular
Muy Alto Peso Molecular
Super Peso Molecular
EGA
Desconocido
Lineal
Desconocido
Para el caso del co-polímero funcionalizado EGA se pesaron 0.737 g y se disolvieron en 5 mL de
benceno, cuya concentración final fue de 0.1474 g/ml.
2. Asfaltos convencionales (sin modificador)
La segunda etapa concierne en la caracterización e identificación de bandas en FTIR de asfaltos
convencionales tipo Ac-20 (original, después de envejecimiento en RTFO y PAV); esto permite
obtener la “huella digital” o “blanco” del asfalto sin polímero, de tal forma que al realizar una
comparativa (o superponer) los espectros de las etapas a) y b) se detecten las diferencias entre
bandas: polímero-asfalto. La preparación de las muestras fue similar a la desarrollada en la
etapa (a): se disolvieron 0.5 g de asfalto en 8 mL de CS2, cuya concentración fue de 0.065 g/ml.
3. Asfaltos Modificados con Polímero.
La tercera etapa consistió en la caracterización de asfaltos modificados con polímero (original,
después de envejecimiento en RTFO y PAV). En total se realizó el muestreo de siete muestras
de diferentes AMP y su respectiva comprobación; la preparación de las muestras consistió en
disolver 0.5 g en 8 mL de una mezcla de solventes Tolueno – Tricloroetileno (7:3), cuya
concentración fue de 0.0648 g/mL.
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4. Mezclas
En esta etapa se efectuaron lavados a corazones asfalticos procedentes de carpetas en uso
tanto de asfaltos modificados como sin modificar, con el objetivo de identificar
cualitativamente la naturaleza polimérica de dichas mezclas, basándose en la experiencia
generada a lo largo de las etapas anteriores de la investigación.
RESULTADOS.
Los resultados de las mediciones de espectroscopia FTIR se muestran en las figuras 1, 2 y 3 para
polímeros, asfalto convencional y asfalto modificado con polímero respectivamente; y
muestran el intervalo total del espectro (400 a 4000 cm-1); en las figuras 1.1, 2.1 y 3.1, se
muestran las regiones de interés (acercamiento) para identificar las bandas características de
los polímeros.
(a)
(b)
(c)
6
-1
Figura 1. Espectros FTIR de los Polímeros (a) SB LMw, (b) SB HMw y (c) EGA (400 a 4000 cm ).
(a)
(b)
(c)
Figura 1.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Polímeros: (a) SB
-1
-1
LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm ) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm ).
7
Figura 2. Espectro IR de Ac-20 convencional.
Figura 2.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR del Ac-20 convencional (de
-1
1750 a 650 cm ).
8
a)
b)
c)
Figura 3. Espectros FTIR de los Asfaltos modificados con polímeros (a) SB LMw, (b) SB HMw y (c) EGA (400 a 4000
-1
cm ).
9
a)
b)
c)
Figura 3.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos modificados
-1
-1
con polímeros: (a) SB LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm ) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm ).
10
Al aplica el envejecimiento por RTFO y PAV a la muestra anteriormente descrita de asfalto convencional se
observaron los siguientes resultados:
a)
b)
Figura 4. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR del Asfalto convencional: (a)
RTFO y (b) PAV.
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Por otro lado al aplica el envejecimiento por RTFO y PAV a las muestras de asfalto modificado se observaron los
siguientes resultados:
a)
b)
c)
Figura 5. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos
-1
modificados envejecidos por RTFO con polímeros: (a) SB LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm ) y (c) EGA (de
-1
1750 a 650 cm ).
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Figura 6. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos
-1
-1
modificados envejecidos por PAV con polímeros: (a) SB LMw (de 1050 a 650 cm ) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm ).
Finalmente el lavado aplicado a las muestras de mezclas nos permitió observar los siguientes resultados:
Figura 7. Acercamiento a la región de interés de las bandas características. FTIR de la mezcla sin modificar con
-1
polimeros (de 1050 – 650 cm ) lavada en Benceno.
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Figura 8. Acercamiento a la región de interés de las bandas características. FTIR de la mezcla modificada con
-1
polimeros (de 1050 – 650 cm ) lavada en Benceno.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
1. En el presente trabajo de investigación se han determinado las regiones características
de los polimeros pertenecientes a la familia SB (estireno - butadieno) en el espectro de
IR, donde se han identificado tres bandas esenciales, que son: 699 cm-1
correspondiente al poliestireno, 966 cm-1 y 911 cm-1 para el polibutadieno.
2. Se identificaron las principales bandas propias del asfalto convencional (AC-20). Las
cuales aparecieron en los números de onda aproximados a: 1030, 874, 814, 746 y 722
cm-1.
3. Se hizo plena identificación de los asfaltos sin modificar observando la carencia de las
bandas descritas en el punto número 1).
4. Se identificaron los asfaltos modificados, observando la presencia de las bandas
correspondientes a los polimeros descritos en el punto número 1).
5. En las figuras 7 y 8 de las mezclas en el apartado de resultados del presente trabajo, se
observa que las bandas resaltadas de color negro corresponden al asfalto, las rojas al
poliestireno y el color azul al polibutadieno. Con lo que se puede concluir que el
espectro de la figura 8 corresponde a una mezcla modificada con polímero.
Nota: La banda resaltada en color verde se ha podido observar que presenta un incremento en
la absorbancia cuando el asfalto es modificado con polímero.
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CONCLUSIONES
Componente
PS
PB
(rango)
Asfalto
n (cm-1)
699
λ (cm)
0.0014306
Ѵ (seg-1)
2.10E+13
ε (ergs)
1.39E-13
E (ergs)
8.36E+10
E (kcal*mol-1)
1.997043
750
0.0013333
2.25E+13
1.49E-13
8.97E+10
2.14275
993
0.0010071
2.98E+13
1.97E-13
1.19E+11
2.837001
966
0.0010352
2.90E+13
1.92E-13
1.16E+11
2.759862
911
0.0010977
2.73E+13
1.81E-13
1.09E+11
2.602727
730
0.0013699
2.19E+13
1.45E-13
8.73E+10
2.08561
650
0.0015385
1.95E+13
1.29E-13
7.77E+10
1.85705
1030
0.0009709
3.09E+13
2.05E-13
1.23E+11
2.94271
874
0.0011442
2.62E+13
1.74E-13
1.05E+11
2.497018
814
0.0012285
2.44E+13
1.62E-13
9.74E+10
2.325598
746
0.0013405
2.24E+13
1.48E-13
8.92E+10
2.131322
722
0.001385
2.16E+13
1.43E-13
8.64E+10
2.062754
n=
λ=
Ѵ=
Numero de Onda
Longitud de Onda
Frecuencia
c=

h=
ε=
c

n
1

6.62E-27 erg * seg Cte. Planck
Energía de un Fotón
  h *
N=
E=
cm*seg-1
3.00E+10
E  *N
6.02E+23
Número de Avogadro
Energía Correspondiente a un Número de Avogadro
BIBLIOGRAFÍA
ed
[1] Streitwieser Adrew Junior, Heathcock Clayton H, Química Orgánica, 3 Mc Graw Hill, Capítulo 15.
[2] Pretsch E, Bühlmann P, Affolter C, Herrera A, Martínez R, Determinación Estructural de Compuestos Orgánicos,
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[4] Blanco M, Maspoch S, Villarroya I, Peralta X, González J. M, Torres J, Determination of the penetration value of
bitumens by near infrared spectroscopy, DOI:10.1039/b0041211, The Journal Royal Society of Chemistry 2000,
Analyst, 2000, 125, 1823 – 1828.
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