Se compraron reactivos para síntesis de acetinas GT (97,6 %), tolueno (99,6 %) y ácido acético glacial (99 %) en la tienda El Alquimista ® (Colombia), y resina de intercambio iónico Amberlyst15 ® fue adquirida a Sigma Aldrich ® (USA). Asimismo, ingredientes para la elaboración de compuestos SBR: Buna SE 1502H (Arlanxeo ® -Brasil), Rubbersil ® RS200 (Glassven ® -China), ácido esteárico doble prensado (Dersa ® - Colombia), antioxidante Vulkanox ® DSF (Lanxess ® -Brasil), Perkadox ® BC-FF (Akzo Nobel ® -USA) y Delta Oil ® 325 (Delta Oil-Colombia) fueron comprados al proveedor Gomafina ® Ltda. (Colombia).

La acetilación se llevó a cabo en un reactor de vidrio de 500 cm 3 con tres bocas, equipado con manta de calentamiento y agitación magnética, baño térmico de aceite, termómetro, torre de fraccionamiento tipo vigreux, accesorio dean stark para retirar el agua producida en la reacción y condensador (véase la figura 1a). Inicialmente, se colocó en el balón: 23,0 g de GT + 135,1 g de ácido acético + 138 g de tolueno; cuando el sistema alcanzó la temperatura de 95 ºC se adicionaron 2,55 gramos de Amberlyst ® 15, lo que dio inicio a la reacción. La máxima temperatura alcanzada fue 110 ºC. La reacción se llevo a cabo a una presión 560 mm Hg y el tiempo de acetilación fue 4,5 horas. Se uso tolueno como agente de arrastre para eliminar el agua generada en la reacción y remover el exceso de ácido acético al final. Las acetinas fueron lavadas con agua y luego sometidas a roto-evaporación durante dos horas con el fin de eliminar la humedad y las trazas de ácido acético (véase la figura 1b).

Se realizaron tres formulaciones según se observa en la Tabla 1. La sigla phr significa “partes en peso de cualquier ingrediente por cada 100 partes de SBR”. Todos los compuestos fueron formulados con 20 phr de plastificante + 50 phr de sílica + aditivo + agente de curado. El compuesto control tiene 20 phr de aceite nafténico (BR/20N/0A). El segundo compuesto fue formulado reemplazando el 33,3 % del aceite nafténico por acetinas, equivalente a adicionar 15 phr de nafténico y 5 phr de acetinas (SBR/15N/5A). En la tercera fórmula se reemplazó un 50 % del aceite nafténico por acetinas, lo cual implica que se adicionaron 10 phr de ambos aceites (SBR/10N/10A).

Figura 1

Las formulaciones corresponden a un diseño experimental de un factor con tres niveles, en los que el factor es la presencia de acetinas en el compuesto y los niveles corresponden a las concentraciones de acetinas en phr. Las variables de respuesta fueron: a) parámetros de reometría: torque mínimo (M L ), torque máximo (M H ), tiempo de scorch (t S2 ) y tiempo de curado (t 90 ); b) propiedades mecánicas: resis- tencia a la tracción, elongación a rotura y resistencia al desgarre.

Tabla 1

Cada uno de los compuestos fueron elaborados en un molino de laboratorio con capacidad de mezcla igual a 1000 cm 3 , equipado con dos rodillos de 14 cm de diámetro y 32 cm de longitud; la relación de fricción entre ambos rodillos fue 1.42. Inicialmente, se masticó SBR1502 en los rodillos hasta formar banda (véase la figura 2a), enseguida se agregaron lentamente la sílica y los plastificantes, posteriormente se añadió el ácido esteárico y antioxidante; la mezcla, entonces, se homogenizó y, faltando dos minutos para finalizar el mezclado, se adicionó el peróxido de dicumilo; el tiempo total de proceso fue de diez minutos.

Figura 2

El curado de los compuestos se realizó empleando la técnica de moldeo por compresión en una prensa vulcanizadora a escala de laboratorio. Las láminas para determinar la resistencia al rasgado, la tracción, la elongación y la resistencia al desgarre fueron curadas en un molde de área 15 x 15 cm, con espesor de 3 mm a 160 ºC; el tiempo de curado fue de ocho minutos.

Los parámetros de reometría para los compuestos previo al proceso de curado en el molde fueron determinados siguiendo la norma ASTM D2084-17. Se usó un reómetro de disco oscilante Monsanto ® MDR 2000TM (USA), las curvas de reometría se corrieron a 160 ºC y el tiempo de prueba fue de diez minutos (véase la figura 2b).

Los ensayos de tracción/elongación y resistencia al desgarre fueron medidos para los compuestos curados aplicando las normas ASTM D412-06A y ASTM D624-00, respectivamente. Las probetas con geometría tipo I para la prueba de tensión y tipo B para el ensayo de desgarre se obtuvieron troquelando las láminas curadas. Se utilizó una máquina universal de tensión KJ 1065B Kejian Instruments ® -China (véase la figura 2c). Los parámetros de los ensayos fueron desplazamiento del cabezal 80 mm/minuto, temperatura de 23 ºC y humedad relativa del 50%. Tres probetas fueron ensayadas para cada compuesto.

Figura 3

El caucho SBR1502 tiene la habilidad de ser reticulado con azufre (vulcanización) y/o con peróxidos (curado). Las curvas de reometría y los parámetros de curado se muestran en la figura 3 y la tabla 2. Estos valores cambian según la temperatura, por tanto, se deben reportar junto con la temperatura del ensayo de reometría. Las curvas obtenidas experimentalmente presentan una pendiente ligeramente creciente, sin cambios fuertes, lo cual significa que el reticulado del compuesto es progresivo; la forma geométrica de las curvas son características de compuestos de caucho curados con peróxido [21].

Ahora bien, t S2 indica el tiempo que tiene el material para soportar la temperatura antes de que empiece a reticular [21] [22]; t S2, por tanto, permite establecer el periodo en el que un compuesto de caucho puede fluir y llenar las cavidades dentro del molde (a una determinada temperatura) sin que se comience una reticulación prematura, lo cual limita la fluidez.

Tabla 2

No se observó variaciones significativas en tiempo de scorch al adicionar acetinas (hasta 10 phr) en reemplazo parcial de aceite nafténico con respecto al valor de t S2 arrojado por el compuesto patrón.

El tiempo de curado t 90 indica que el periodo necesario para completar un 90 % de curado, en términos prácticos, sirve para establecer el tiempo de moldeo de un compuesto; el 10 % adicional de reticulación para completar el curado se logra con el calor residual que posee el compuesto al salir del molde [21] [22]. En este estudio no se observó un cambio significativo del t 90 de los compuestos. La adición de acetinas no afectó este parámetro comparativamente frente al Control.

El torque mínimo (M L ) está relacionado con la viscosidad del compuesto sin reticular, por tanto, es un parámetro que permite establecer de manera indirecta la fluidez de la mezcla. A mayor M L menor será la capacidad que tiene el compuesto de llenar un molde; el valor de M L es un criterio para controlar la calidad de procesos de mezcla y de formulación [21]. Se observó un leve aumento del M L en un 4 % para el compuesto formulado con 10 phr de acetinas SBR/10N/10A con respecto al Control. El incremento del torque mínimo indica un aumento en la viscosidad de los compuestos sin curar, lo cual significa que las acetinas no tuvieron un desempeño como plastificante con respecto al aceite nafténico, probablemente debido a que no existe una compatibilidad entre el SBR y las acetinas.

El torque máximo (M H ) es proporcional al nivel de entrecruzamiento de las cadenas poliméricas del caucho [21]. La adición de acetinas no influyó significativamente en el valor de M H con respecto al Control (véase la tabla 2).

La Figura 4 muestra las propiedades de resistencia a la tracción y elongación a rotura de los compuestos curados. La resistencia a la tracción mide la máxima capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos. En general, se encontraron valores relativamente altos para la resistencia a la tracción (tensión máxima) en cada uno de los compuestos, debido a la presencia de sílica precipitada RS200 (50 phr). Esta es la carga inorgánica blanca de alto poder reforzante para cauchos, dado que posee un tamaño de partícula pequeño, equivalente a un área superficial BET(170-200 m 2 /g) [21]. El más alto valor encontrado de resistencia a la tracción fue para el compuesto Control (7,07 MPa).

Figura 4

La adición de acetinas hasta 5 phr no afectó significativamente el valor de la resistencia a la tracción. Al aumentar la cantidad de acetinas hasta 10 phr se observó una disminución significativa del 11 % del valor de la propiedad con respecto al compuesto Control. Posiblemente, el descenso del valor de tracción del compuesto SBR/10N/10A se debió a la incompatibilidad entre el SBR y las acetinas, lo cual es más evidente si se incrementa la cantidad de acetinas en la formulación.

La elongación mide la habilidad que tienen los compuestos de caucho para estirarse varias veces con respecto a su longitud original; es una propiedad importante de los elastómeros. La elongación a rotura es el máximo estiramiento que soporta el compuesto antes de romperse [21] [22]. Se obtuvo el valor mas alto de elongación para el compuesto Control. Se observó en la figura 2 que la adición de acetinas, a fin de reemplazar 5 phr de aceite nafténico, no afectó significativamente el valor de la propiedad. Sin embargo, al reemplazar 10 phr de aceite nafténico por acetinas se produjo una disminución de la propiedad en un 13 % contra el compuesto Control. La causa puede estar asociada a la no existencia de compatibilidad entre SBR y las acetinas.

El desgarre mide la capacidad de un caucho de resistir la propagación de una incisión (los resultados de esta propiedad se muestran en la Figura 5). En general, los compuestos de caucho formulados con sílica precipitada con área superficial mayor a 170 m 2 /g ofrecen buen desempeño frente a la resistencia al desgarre. No se observó efecto significativo alguno al reemplazar hasta 10 phr de aceite nafténico por acetinas.

Figura 5