Cinco Preguntas Acerca de Geomembranas de PVC

CINCO PREGUNTAS PARA ANDRÉ ROLLIN ACERCA DE GEOMEMBRANAS DE PVC 

Informe de Telas Geotécnicas: Independientemente de la aplicación para la cual se utiliza una geomembrana, a menudo nos referimos a la geomembrana por su categoría general, como "una geomembrana de PVC", y lo dejamos así. Pero esto realmente no dice lo suficiente. En el caso del PVC, ¿cuál es su composición central? ¿Y cómo afecta esto a sus muchas formulaciones?

 

Andre Rollin: El cloruro de polivinilo (PVC) se ha producido desde 1835. En 1932, un plastificante que podía agregarse a la formulación de PVC dio como resultado la producción de una amplia gama de productos flexibles. Las geomembranas flexibles de PVC se introdujeron en el mercado en la década de 1950.
 
El PVC se produce a partir de fracciones de petróleo (etileno y acetileno) y cloruro por medio de una polimerización en suspensión realizada en reactores donde el cloruro de vinilo y un iniciador se dispersan en agua. El tiempo de reacción y la temperatura se establecen para controlar el peso molecular de las cadenas producidas (niveles de polimerización). Como el PVC es un material rígido, se incorpora un plastificante que puede reducir las fuerzas de atracción entre las moléculas de hidrógeno y cloruro para reducir la temperatura de fragilidad. Un material flexible de PVC se compone de áreas de cristalita rodeadas por áreas amorfas en las que se encuentra el plastificante. La cantidad máxima está controlada por la permeabilidad deseada del producto, generalmente en el rango de 28 a 35% en peso.
 
El plastificante no es el único producto agregado a una mezcla de geomembranas de PVC: se agregan estabilizadores térmicos, pigmentos de color, lubricantes, biocidas y otros ingredientes para resistir solicitaciones. Una geomembrana de PVC debe considerarse como una receta compleja que incorpora muchos ingredientes en proporción, como 35% de polímero, 28% a 35% de plastificante, 0 a 20% de relleno, 5 a 10% de antioxidantes y 2 a 3% de otros productos. La proporción y calidad de los ingredientes en una mezcla se puede establecer para que coincida con las condiciones climáticas, la naturaleza de los líquidos almacenados y otros parámetros. Se pueden lograr formulaciones funcionales de geomembrana de PVC para ofrecer características que difieren mucho de un producto a otro. El producto final puede ser para uso general, almacenamiento de agua potable, almacenamiento de líquidos orgánicos (efluentes industriales), aplicaciones subterráneas de calidad para peces (transparente para túneles, sin estabilizadores ultravioletas [UV]), temperatura fría, materiales reforzados y aplicaciones expuestas ( Protegido contra rayos UV).
 
 
GFR: Eso es bastante, pero subraya la complejidad de la construcción de una sola membrana, y por qué es importante que los ingenieros estudien los aspectos más profundos de la selección de materiales. ¿Cómo cambian estas formulaciones las características vitales de una geomembrana de PVC para que podamos lograr lo que necesitamos con nuestros diseños?
 
Andre Rollin: En el pasado, las formulaciones inadecuadas de PVC pueden haber provocado fallas prematuras, lo que desalienta el uso de geomembranas de PVC. Con la comprensión de la interacción entre los ingredientes, se puede especificar una formulación diseñada para que una aplicación ofrezca una vida útil a largo plazo más que satisfactoria.
 
Vamos a separar el material y entenderlo mirando sus ingredientes. Primero, el peso molecular (MW) de la resina de PVC. El peso molecular de la resina afecta la resistencia máxima a la tracción, el módulo de tracción al 100% de elongación y la resistencia a la perforación. Por ejemplo, Diebel (2002) informó un aumento del 10% de estas propiedades cuando el PM de la resina se incrementó de una resina de 69 K a una de 81K. La rotura no cambió significativamente y el alargamiento disminuyó aproximadamente un 10%. Esto muestra que hay un equilibrio entre fuerza y ​​flexibilidad. En el uso real, el polímero de menor MW puede moverse más fácilmente si el sustrato se asienta. La resina MW más alta es un polímero más grande que resulta en un mayor enredo, restringiendo el movimiento.
 
Entonces tenemos plastificantes. Este es el aditivo más importante, el que verdaderamente establece las propiedades de la geomembrana y la resistencia química. Se utilizan dos familias de productos: uno, monómeros como los phtalales incorporados con geomembranas que estarán en contacto con agua potable; y, dos, polímeros tales como acetato de vinilo para geomembranas en contacto con líquidos orgánicos. Los plastificantes utilizados en PVC son polímeros o monómeros. Los monómeros son diferentes tipos de ésteres, mientras que los polímeros (a menudo denominados poliméricos) son generalmente poliésteres, cauchos de nitrilo o polímeros de éster de etileno cetona.
 
La mayoría de los plastificantes utilizados en PVC flexible son ftalatos monoméricos. Los ftalatos lineales se reconocen como los plastificantes más estables (menos migración hacia las superficies exteriores) debido a los fuertes enlaces entre las cadenas lineales y las moléculas de PVC. Estos plastificantes altamente resistentes a la lixiviación se utilizan actualmente para la producción de todas las geomembranas que estarán en contacto con el agua.
 
Los plastificantes trimelatato monoméricos se usan a menudo cuando se requiere resistencia a altas temperaturas. Para condiciones bajo 50 ° C (122 ° F) los ftalatos monoméricos con una longitud de cadena mayor que 7 son adecuados. Los ftalatos monoméricos con cadenas de menos de 9 y adipatos tienen poca resistencia a altas temperaturas.
 
Los plastificantes poliméricos de poliéster se utilizan cuando se requieren propiedades únicas, como en la contención de aceites. Se ha encontrado que la resistencia a la grasa animal, el aceite mineral y el aceite de maíz degradan los adipatos plastificantes, lo que indica que deben evitarse en la contención de aceites. Los ftalatos ramificados han tenido un rendimiento ligeramente mejor que los ftalatos lineales, mientras que los plastificantes poliméricos de poliéster han obtenido los mejores resultados para los aceites. Se ha encontrado que las formulaciones que incorporan los plastificantes poliméricos de poliéster se comportan adecuadamente en contacto con hexano (un disolvente que se sabe que extrae agresivamente plastificantes monoméricos), gasolina, queroseno, combustible ASTM C y etanol. También se ha encontrado que las aleaciones de PVC que contienen cauchos de nitrilo o los polímeros de éster etileno de cetona proporcionan una resistencia superior a aceites y grasas y a muchos otros hidrocarburos. En ambientes donde se requiere la contención primaria de numerosos tipos de hidrocarburos, estas aleaciones de PVC probablemente funcionarían bien.
 
Además, los plastificantes poliméricos de poliéster se han comportado bien en otros entornos agresivos. En ambientes cáusticos concentrados (solución de hidróxido de sodio al 20%), las formulaciones que contenían los trimelatatos o los plastificantes poliméricos de poliéster no tuvieron cambios, mientras que los adipatos se hicieron más pobres que los ftalatos monoméricos.
 
Ahora llegamos a los estabilizadores. Se requieren estabilizadores mixtos de metal en las formulaciones de PVC para permitir que el material se procese en una película. Un estudio de 2002 no encontró diferencias significativas en las propiedades físicas entre un estabilizador de bario de cadmio y un estabilizador de zinc de bario. Se sabe que ambos estabilizadores metálicos trabajan en sinergia con un co-estabilizador, aceite de soja epoxidado (ESO). Se requiere ESO para una estabilidad óptima y la cantidad de ESO no afecta significativamente las propiedades físicas.
Entonces tenemos rellenos. El carbonato de calcio a menudo se usa como relleno en plásticos. Dependiendo de la cantidad utilizada en una mezcla, el carbonato de calcio puede aumentar el módulo, aumentar la dureza y a cargas muy altas disminuir el costo de la formulación. Se encontró que a niveles inferiores al 7% en peso las propiedades físicas no se vieron afectadas significativamente y que, a niveles superiores al 20%, las propiedades físicas se vieron comprometidas y la resistencia química se vio gravemente comprometida.
 
Stanford et al. (1979) demostraron que las altas cargas de carga daban como resultado un aumento de peso excesivo y, por lo tanto, una resistencia química baja. Una formulación de PVC que incorpora una alta cantidad de carbonato de calcio es, con mucho, el factor negativo más importante en los entornos de lixiviados ácidos. Cuando se exponen a lixiviados ácidos y con 37% de HCl, las formulaciones con menos de 7% de carbonato de calcio, que incorporan un ftalato ramificado o lineal, tienen menos de 5% de cambio de peso y, lo que es más importante, son todavía muy flexibles.
 
Ahora examinemos absorbentes e inhibidores de UV. El PVC transparente tiene poca resistencia a la luz ultravioleta, y no se recomienda para aplicaciones en exteriores extendidas sin componentes adicionales que puedan prolongar la exposición a los rayos UV en el exterior. Estos aditivos son inhibidores UV y absorbentes o pigmentos. Una vez que se agrega una pequeña cantidad de pigmento, la resistencia UV mejora dramáticamente. Los inhibidores UV y / o absorbentes de UV ofrecen protección a largo plazo.
 
Luego, biocida. La resistencia biológica de las geomembranas flexibles de PVC a menudo ha sido cuestionada y se cree que los plastificantes de ftalato son una fuente de alimento para los microorganismos. Este no fue el caso. Normalmente, el PVC flexible incorpora un biocida como precaución adicional cuando las mezclas incluyen ciertos tipos de plastificantes que son más susceptibles al ataque. En muchos casos, el biocida no es necesario ya que se demostró que las materias primas individuales son resistentes al metabolismo de los microorganismos.
 
En un estudio de Klausmeir y Andrews (1981), todos los diferentes ingredientes en una formulación de geomembrana flexible fueron sometidos a ASTM G21. Esto implica inocular las materias primas individuales con una variedad de hongos naturales y luego incubar las muestras durante cuatro semanas en un ambiente donde se sabe que los hongos prosperan. Ninguno de los materiales crudos fue metabolizado fácilmente por los hongos. El ftalato monomérico no tenía evidencia de ataque de los hongos, pero los adipatos y sebacatos son susceptibles al crecimiento biológico; y, por lo tanto, debe ser evitado.
 
En general, las geomembranas de PVC se deben seleccionar con formulaciones específicas para las condiciones de un proyecto. Si bien se requiere un peso molecular mínimo de resina de PVC 69K, no hay ninguna ventaja de ir más allá de eso en la mayoría de los casos. Los plastificantes poliméricos de poliéster dan como resultado una resistencia superior a los hidrocarburos, mientras que los plastificantes monoméricos de adipato deben evitarse en geomembranas de PVC flexible ya que tienen un pobre envejecimiento a largo plazo y propiedades de resistencia química. Los plastificantes de trimetilato monomérico han funcionado muy bien y son una buena opción para geomembranas de PVC enterradas y flexibles, especialmente donde se prevén altas temperaturas sostenidas (superiores a 50 ° C). Ramificado, lineal o una mezcla de ftalatos monoméricos con un promedio de cadena de carbono que es mayor que siete funcionará bien en la mayoría de las aplicaciones de geomembrana de PVC flexible. Los ftalatos ramificados se comportaron mejor que los ftalatos lineales en ambientes extremadamente ácidos y cáusticos.
 
Las cargas de relleno de carbonato de calcio superiores al 7% deben evitarse en entornos de pH bajo (ácidos). Se requiere un tipo de pigmento y nivel de carga adecuados o absorbedores e inhibidores de UV para las aplicaciones expuestas. El PVC flexible adecuadamente formulado no es propenso al ataque microbiológico.
 
GFR: ¿Cuáles son los conceptos erróneos más comunes en la selección de una geomembrana de PVC? ¿Por qué debería un ingeniero seleccionar (o no seleccionar) este material?
 
Andre Rollin: El primer error es que existe un solo tipo de PVC. Esto está muy mal. Hay una multitud de formulaciones que dan como resultado una matriz de geomembranas de PVC para adaptarse a la mayoría de las aplicaciones [como se indicó en respuesta a las preguntas anteriores].
 
El segundo error más común es que el PVC no resiste los hidrocarburos, los ácidos y las bases; pero, sí, el PVC puede resistir muchos hidrocarburos (excepto disolventes fuertes), ácidos y bases durante un largo período de tiempo si se utiliza la formulación adecuada.
 
Además, muchos parecen pensar que el PVC se perforará fácilmente. Por el contrario, el PVC se perfora con menos facilidad que una geomembrana rígida porque el PVC tiene una característica de elongación alta: la flexibilidad es la propiedad más deseable de una geomembrana de PVC, que no ofrece realineamiento de las cadenas moleculares cuando se alarga. Se ajusta fácilmente a los sitios, y en la mayoría de las aplicaciones no requiere refuerzo.
 
Un cuarto concepto erróneo es que debe comparar el grosor de la geomembrana, incluso entre materiales dispares, al hacer una selección. Esto está mal. Comparar el grosor de la geomembrana puede ser irrelevante. El rendimiento es lo que importa. Por ejemplo, comparar las propiedades de una geomembrana rígida de 60 mil con las propiedades de una geomembrana de PVC de 60 mil es como comparar geotextiles no tejidos con tejidos. A grosores similares, los resultados pueden ser dramáticamente diferentes y confundir el objetivo real de un diseño. Considere que muchas agencias (como el Departamento de Transporte de Nueva York) reconocen que aunque los geotextiles no tejidos generalmente tienen menores características de resistencia que los geotextiles tejidos, el comportamiento de los no tejidos es aceptable, incluso deseable en muchas aplicaciones debido a una mayor flexibilidad (elongación). En muchos diseños de geomembranas, una geomembrana de PVC de menor espesor puede ofrecer un rendimiento funcional similar a las geomembranas rígidas y más gruesas.
 
Un quinto concepto erróneo con geomembranas de PVC es que una costura químicamente unida es menos resistente que una costura de fusión. Este no es el caso si se siguen los procedimientos adecuados de unión. Yo y muchos otros en el campo hemos observado costuras muy fuertes, resistentes a la tracción y químicamente unidas, incluso después de muchos años de su vida útil.
 
Un sexto concepto erróneo es que la temperatura de fragilidad es demasiado alta. En la mayoría de las aplicaciones, la geomembrana de PVC se cubrirá y no se alcanzará una temperatura de revestimiento inferior a 30 ° C (86 ° F). Los usuarios canadienses y estadounidenses son conscientes de que las membranas de PVC utilizadas como revestimientos para piscinas exteriores pueden soportar temperaturas muy frías durante muchos inviernos (más de 10 años) sin agrietarse ni sufrir daños estructurales.
 
Un séptimo concepto erróneo es que una costura no se puede verificar correctamente. Sí, las costuras se pueden revisar adecuadamente, lo que quiere decir que permiten opciones de prueba no destructivas y destructivas. Para medidas no destructivas, las costuras de doble fusión se pueden verificar utilizando la prueba de presión de aire del canal similar al uso para otros tipos de geomembranas. Y las costuras químicas deben verificarse usando una lanza de aire y / o técnicas de detección de fugas eléctricas. Las pruebas destructivas se pueden realizar en ambos tipos de costuras para medir las resistencias a la tracción y al pelado.
 
Finalmente, existe la idea errónea de que no puede usar PVC para aplicaciones expuestas. Bien, sí y no: la mezcla del producto de uso general (es decir, sin inhibidores o absorbentes de UV) no puede resistir exposiciones prolongadas; pero, las formulaciones resistentes a los rayos UV resistirán la descomposición y funcionarán muy bien durante muchos años.
 
GFR: ¿Qué recomendaciones haría para evitar estos errores?
 
Andre Rollin: Primero, aumente la tutoría en firmas consultoras y agencias gubernamentales. En mi experiencia, los ingenieros superiores aceptan las responsabilidades de gestión de proyectos o se mudan a otras empresas; por lo tanto, dejando que los ingenieros menores seleccionen revestimientos para una aplicación sin que el ingeniero principal haya transmitido su conocimiento geosintético o la importancia del análisis y la selección adecuada de la geomembrana para la construcción. Como resultado, la selección de geomembrana se asocia con demasiada frecuencia al corte y pegado de la experiencia pasada (que puede ser poca). Esto ignora la necesidad de tener en cuenta la disponibilidad de muchos otros tipos de productos, no solo las geomembranas de PVC, que podrían ofrecer las características deseadas para un funcionamiento seguro y funcional. En resumen, se necesita más educación. Los ingenieros deben compartir conocimiento.
 
Además, en el aspecto técnico, los profesionales de investigación y desarrollo deben ofrecer asesoramiento a los miembros de la familia de geosintéticos y compartir los esfuerzos educativos con ellos. Por ejemplo, la industria de geomembranas de PVC y las diversas asociaciones y sociedades geosintéticas. Con respecto a las geomembranas de PVC, estos grupos deben invertir tiempo y esfuerzo para poner a disposición referencias técnicas y documentos sobre la necesidad de formular y seleccionar las geomembranas adecuadas de PVC para diferentes tipos de aplicaciones. Además, deben poner a disposición especificaciones para estas aplicaciones, admitir más seminarios y cursos, y nunca evitar dar a los ingenieros la información técnica y precisa sobre el rendimiento de la geomembrana. Así es como podemos evitar conceptos erróneos.
 
GFR: Seríamos negligentes si no tomamos nota de su libro de 2002 sobre el tema de formulaciones y usos de geomembranas. Sin embargo, una copia apareció solo en francés. ¿Está en preparación una versión en inglés?
 
Andre Rollin: El libro Geomembranes: a guide de choix fue co-escrito por Pierson y Lambert y publicado en francés por Presse Internationale, Ecole Polytechnique. Desde entonces se ha actualizado y ahora está en proceso de traducción al inglés con la colaboración de Barry Christopher, un cuarto autor. El título en inglés, Geomembranes: una guía para la selección de materiales, debe estar disponible en el congreso Geo-Frontiers 2005 [enero en Austin, Texas - ver página 13].
 
André Rollin trabaja para Solmers International, www.solmers.com.
 
Este artículo fue publicado en la edición de octubre / noviembre de 2004 del Geotechnical Fabrics Report.
 
 
 
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