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COORDINADORA Marianella Hernández Santana Directora de la Red Internacional de Tecnología del Caucho (RITC). CONTEXTO DE LA TECNOLOGÍA DE ENFRIAMIENTO El desarrollo de energía sostenible responde a una creciente demanda de regulación de la temperatura en la superficie de nuestro planeta sin aumentar las emisiones de gases de efecto invernadero. Los materiales calóricos poseen propiedades prometedoras que pueden contribuir a lograr este objetivo. Son sólidos que pueden intercambiar calor con el entorno, lo que incluye aplicaciones de refrigeración y enfriamiento. No obstante, dichos materiales convencionales utilizan elementos de tierras raras, los cuales no solo son costosos, sino también propensos a sufrir escasez en el suministro. Reciclaje de caucho para aplicaciones de enfriamiento RED INTERNACIONAL DE TECNOLOGÍA DEL CAUCHO 4Revista SLTCaucho | Ciencia y Tecnología en América Latina Por lo tanto, es necesario investigar soluciones innovadoras para superar este problema permitiendo aplicaciones comerciales eficientes mientras se abordan preocupaciones económicas y ecológicas. En ese sentido, el caucho natural (NR) es un candidato prometedor para aplicaciones de enfriamiento ecológico. A diferencia de la mayoría de los materiales calóricos, el NR es blando, barato y biodegradable, resolviendo simultáneamente algunos de los principales problemas de ingeniería y sostenibilidad en el calentamiento y/o enfriamiento artificial. La primera observación cualitativa del efecto elastocalórico (eC) en NR fue reportada por Gough en 1805. COLUMNISTA INVITADO Nicolás Candau Grupo e-Plascom, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). En 1942, Dart, Anthony y Guth realizaron más mediciones de temperatura y sugirieron que este calentamiento se atribuía a la cristalización inducida por deformación (SIC), como lo mostraron usando rayos X. Tal cristalización provocada por deformación en caucho fue descrita teóricamente por Flory en 1947. Se sabe que la SIC en NR es más efectiva en comparación con otros elastómeros sintéticos, lo que se acepta comúnmente que se debe Hoy en día, el efecto elastocalórico (eC) en el NR sigue siendo un tema de investigación activa. Una ventaja práctica de las propiedades eC en el NR es la posibilidad de modular la cinética de la cristalización inducida por deformación con la tensión. A una deformación del 600 %, se encontró que su menor en parte a la alta proporción de cadenas de NR con configuración cis 1,4 (>98 %), lo cual facilita su alineación al deformarse. La figura 1 muestra la alineación de una sola cadena de caucho que se cristaliza parcialmente durante una deformación uniaxial, generando patrones de dispersión anisotrópicos característicos indicativos de la presencia de una fase cristalina inducida por deformación. tiempo de cristalización es de unas pocas decenas de milisegundos. Como consecuencia, el caucho puede calentarse rápidamente hasta un rango de decenas de grados después de la finalización de su proceso de cristalización, como se ilustra en la figura 2. RED INTERNACIONAL DE TECNOLOGÍA DEL CAUCHO Revista SLTCaucho | Ciencia y Tecnología en América Latina 5 Figura 1. Elongación de una cadena de caucho (los puntos violetas representan enlaces químicos) durante la carga uniaxial que resulta en cristalización parcial (izquierda). Patrón de dispersión de rayos X de ángulo amplio del NR inducido por deformación (derecha). Figura 2. Vista esquemática de la correlación entre la orientación de las cadenas y la cristalización, y el calentamiento generado durante la carga mecánica uniaxial de una muestra de NR. 28°C22°C21.3°C Una ventaja notable del NR es la baja energía mecánica requerida para activar su efecto eC. Presenta un nivel de esfuerzo menor en comparación con los compresores de vapor estándar actuales (dos órdenes de magnitud inferior al de las aleaciones con memoria de forma), lo que demuestra su viabilidad técnica y facilita la transformación tecnológica. Por lo tanto, el desarrollo de energías sostenibles, como bombas de calor o máquinas de enfriamiento basadas en el efecto eC del NR, ha despertado un considerable interés en la comunidad académica. El grupo e-Plascom de la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC) dedica parte de sus actividades al desarrollo de cauchos elastocalóricos. Como se muestra en la figura 3, la rápida deformación de los materiales de caucho resulta en un calentamiento de más de 10 ºC y la veloz descarga en un enfriamiento de 8 ºC hasta la temperatura ambiente. El enfriamiento es consecutivo a la fusión rápida de la fase cristalina durante la descarga, formada anteriormente durante la carga. NUEVOS DESAFÍOS HACIA EL RECICLAJE DE RESIDUOS DE NEUMÁTICOS Sin embargo, aún queda trabajo por hacer para convertir al caucho en un material eC eficiente y ecológico: la sustitución parcial de la matriz de NR por partículas de caucho reciclado y una descripción física del efecto eC en estas mezclas de caucho natural/residuos para afinar las propiedades de enfriamiento. Aunque el NR es más abundante que los metales de tierras raras, también está expuesto al riesgo de escasez de suministro. Para superar este problema, el grupo e-Plascom de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) se propone enfocar parte de sus actividades en la sustitución parcial del NR por residuos para aplicaciones de enfriamiento. Además, el reciclaje de residuos de caucho industrial ha recibido una atención considerable en respuesta a la creciente demanda de soluciones sostenibles para el problema mundial de la disposición de residuos plásticos/caucho. La introducción de éstos en termoplásticos bio-basados como aditivo de alto valor agregado es una alternativa interesante para el reciclaje de caucho, al mismo tiempo que proporciona elastómeros termoplásticos más resistentes. No obstante, es un desafío reintroducir el caucho reciclado en el ciclo de producción en la industria de este elastómero, ya que, en comparación con el caucho fresco, el valor agregado es limitado, especialmente para contenidos de residuos superiores al 50 % en peso. ¿USO DE RESIDUOS DE NEUMÁTICOS COMO POTENCIADOR DE ENFRIAMIENTO? En el grupo e-Plascom, hemos preparado una serie de mezclas de NR/residuos con un contenido de desechos de hasta el 33 % en peso y caracterizado sus propiedades elastocalóricas mediante termografía infrarroja in situ. Para la comprensión física de sus propiedades eC, utilizamos un marco termodinámico capaz de predecir tanto las variaciones de calor como el comportamiento mecánico derivado de los efectos termoelásticos. RED INTERNACIONAL DE TECNOLOGÍA DEL CAUCHO 6Revista SLTCaucho | Ciencia y Tecnología en América Latina Figura 3. Ejemplo de campo de temperatura medido por cámara de infrarrojo en la superficie de una muestra de caucho durante la carga y descarga mecánica. Sin deformar Deformado Relajado RED INTERNACIONAL DE TECNOLOGÍA DEL CAUCHO Revista SLTCaucho | Ciencia y Tecnología en América Latina Las desviaciones de este modelo traducen la ocurrencia de cristalización inducida por deformación. Los resultados revelaron que los mayores intercambios de calor se observaron en la mezcla de NR/residuos utilizando un 20 % en peso de residuos, lo que se atribuye a un efecto termoelástico mejorado y una mayor capacidad de la matriz de NR para cristalizar, ambos resultantes de una amplificación de la deformación en la fase de caucho en presencia de agregados de negro de carbón no deformables en las partículas de residuos. Esto dio lugar a un coeficiente de rendimiento del material, COPmat, de 3.8 en las mezclas de NR/residuos que contienen un 20 % en peso de residuos, que se encontró cercano al de NR puro (COPmat = 4.4). Un estudio local del campo de temperatura inducido por deformación mecánica muestra áreas circundantes de las partículas cuyo calentamiento durante la carga se encuentra ligeramente superior, lo que puede surgir de la concentración de estrés en su proximidad, cerca de la interfaz con la matriz de NR. Por el contrario, durante el enfriamiento, las mismas áreas localizadas, del tamaño de las partículas de residuos, se encuentran más frías en comparación con la matriz (figura 4). Esto sugiere una localización del campo de deformación en estas áreas que tiende a acelerar el efecto elastocalórico en presencia de rellenos de residuos. 7 En conclusión, se puede decir que las mezclas de NR/residuos muestran un potencial para aplicaciones de calefacción/enfriamiento ecológicas, especialmente debido a sus amplios rangos de temperatura, comparables a los encontrados en películas o policristales que utilizan elementos de tierras raras. En el futuro, el objetivo del grupo e-Plascom es continuar desarrollando materiales de enfriamiento basados en caucho de fuentes naturales y de residuos e implementarlos en prototipos de enfriamiento. ■ NOTA Los resultados presentados anteriormente son algunos de los aspectos destacados de los siguientes trabajos publicados: Candau et al. Polymer 236, 124309 (2021) y Candau et al. Express Polymer Letters 16, 1331-1347 (2022). Figura 4. Ejemplo del campo de temperatura medido por cámara de infrarrojos en la superficie de mezclas de NR/residuos durante la carga (izquierda) y la descarga (derecha).