Bio-adhesivos desmontables para la reutilización y el reciclaje de materiales disímiles en la construcción

30/06/2021

Anabel Crespo, directora de Tecnologías en AIMPLAS, y Rafael Alonso, investigador en Tecnología Química, analizan en este artículo los resultados del proyecto Ecoglue II, llevado a cabo por el centro tecnológico y de aplicación en el sector de la construcción.

La sostenibilidad se ha convertido en una característica necesaria en las nuevas construcciones. La mitad de la humanidad, 3.500 millones de personas, vive hoy en día en las ciudades y se prevé que esta cifra aumentará a 5.000 millones en 2030. Las ciudades y las áreas metropolitanas son centros neurálgicos del crecimiento económico, ya que contribuyen aproximadamente al 60% del PIB mundial. Sin embargo, también representan alrededor del 70% de las emisiones de carbono mundiales y más del 60% del uso de recursos. Actualmente, las ciudades del mundo ocupan solo el 3% de la tierra, pero representan entre el 60% y el 80% del consumo de energía y el 75% de las emisiones de carbono.¹

En este contexto, la ONU ha definido el ODS11: Lograr que las ciudades sean más inclusivas, seguras, resilientes y sostenibles.

Construcción y eficiencia energética

Según la Directiva 2012/27/UE, sobre eficiencia energética, el sector de la construcción y los edificios, son responsables del 40% del consumo de energía final de la Unión Europea. Asimismo causan aproximadamente el 40% de las emisiones de carbono. Por ello, su reducción es muy importante de cara a mitigar el cambio climático y sus consecuencias.

La energía en los edificios puede ser de dos tipos: la usada para el mantenimiento o servicio de dicho edificio durante su vida útil (energía operativa OE); y en segundo lugar, el capital energético que se destina a la producción de un edificio utilizando diversos materiales de construcción, denominada energía incorporada (EE).

La energía incorporada de los edificios puede variar de forma considerable dependiendo de la elección de los materiales y de las técnicas de construcción. Generalmente, los materiales utilizados para la estructura de los edificios representan más del 50% de la energía incorporada en el edificio.

En este sentido, el uso de materiales alternativos, a partir de fuentes renovables, además del impulso de la reutilización o en último término el reciclaje de materiales de construcción, es esencial para reducir la energía incorporada en el edificio.[1] En base a esto una de las tendencias de creciente interés en la industria de la construcción es la construcción sostenible.

Construcción sostenible

Para que una construcción sea sostenible se debe minimizar el desperdicio de materiales desde el ecodiseño. Se debe trabajar en la selección adecuada de la cantidad y calidad de los materiales y en la utilización de materiales sostenibles entre otros aspectos. Se considera un material sostenible a todo material cuyo uso no tiene un impacto adverso sobre el medio ambiente,[2] siendo un factor clave potenciar el uso de materiales reutilizables o reciclables al final de su vida útil.

La legislación en vigor (Directiva 2008/98/CE transpuesta por la Ley 22/2011, de residuos y suelos contaminados) también obliga a que los residuos no peligrosos de construcción y demolición (RDC) se reutilicen, reciclen o valoricen; como mínimo al 70% en peso de los residuos producidos. Actualmente, se está incidiendo en las posibilidades de reciclado de estos, los problemas con que esta actividad habitualmente se encuentra y las tendencias de futuro.

Reaprovechar los residuos

La gestión de los RCD presenta en la actualidad un panorama muy diverso en función del ámbito geográfico que se trate. En general, son los países con mayor tradición en el planteamiento estratégico de los temas medioambientales y donde algunas de las materias primas, como los áridos, son bienes escasos; los que han adoptado las principales iniciativas en relación con regular dicha gestión; haciendo hincapié en las posibilidades de reutilización, reciclado y/o valorización de materiales secundarios.

Por lo que se refiere al campo de la demolición (y sobre todo la de edificios), ha sido práctica tradicional retirar de forma previa aquellos materiales fácilmente extraíbles que pudieran tener cierto valor en el mercado de la reutilización o reciclado. Como los metales (tuberías, conducciones, etc.), madera (puertas y ventanas, suelos, etc.) y algunos materiales cerámicos (tejas).

En cuanto al resto de los materiales obtenidos en el proceso de demolición, la práctica habitual ha sido su transporte y vertido en un lugar lo más próximo posible al origen de los residuos. Hay países europeos como Alemania, Suiza o Austria, por ejemplo, donde la incineración de ciertas fracciones de estos residuos, como la madera y los plásticos; es una alternativa al vertedero, puesto que su infraestructura de residuos lo permite. 

Por otra parte, existe una tendencia generalizada a incrementar las cantidades de RCD que se recuperan para diversos usos (directos o indirectos), así como a habilitar instalaciones específicas para el vertido controlado de las fracciones no recuperadas. En este contexto se están desarrollando nuevas técnicas constructivas basadas en sistemas modulares, que pueden ser diseñados y construidos a distancia y después ser ensamblados en una ubicación predeterminada.

Nuevas técnicas de construcción modular: adhesivos

El uso de adhesivos es imprescindible en estas aplicaciones, ya que contribuyen a la reducción de peso de los productos finales y facilitan su montaje. Sin embargo, el carácter permanente de la unión de materiales y su formulación a partir de materias primas de recursos fósiles no renovables supone un reto dentro del marco de la economía circular.

En estos nuevos sistemas modulares de construcción la utilización de adhesivos desmontables sostenibles cobra una especial relevancia. Y es que pueden asegurar la reparación de partes defectuosas sin dañar en exceso el resto de la construcción y, al mismo tiempo, el reciclado al final de la vida útil del edificio.

Por lo tanto, el desarrollo de bioadhesivos desmontables para su aplicación en construcción es uno de los campos de investigación que se debe desarrollar. Para conseguir una construcción modular sostenible que facilite el desmontaje y la deconstrucción de sistemas para su reutilización y reciclaje al final de su vida útil.

Bio-Adhesivos de AIMPLAS

En este sentido, AIMPLAS, en el marco del proyecto Ecoglue II, ha trabajado en el desarrollo de un adhesivo bioepoxídico desmontable para construcción.

Actualmente, los adhesivos epoxi son muy empleados sobre todo en usos que requieren altas propiedades estructurales, como la construcción. Su versatilidad físico-estética permite que, durante su procesado, se consiga que los adhesivos epoxi tengan un mayor o menor grado de flexibilidad, transparencia o color; o velocidad de secado, entre otras propiedades.

Actualmente, más del 90% de las resinas epoxi se basan en el bisfenol A y la epiclorhidrina como unidades básicas para la obtención del prepolímero DGEBA; que, junto con el endurecedor, son la base del producto termoestable. No se entiende una resina epoxi sin su endurecedor. Ello es debido a que, en el proceso de curado, incluso a una temperatura controlada superior a la del ambiente; han de añadirse agentes que permitan y ayuden a que la resina en sí abandone su estado inicial para empezar la gelificación y posterior endurecimiento.

Las propiedades de transición, así como las finales (resistencia térmica, ductilidad, modo de endurecimiento…), dependen de variables como el tipo de epóxido, el catalizador o los agentes de reticulación. En este proyecto se ha utilizado un adhesivo bioepoxi con un contenido en fuentes renovables del 31%. A este adhesivo bio se le han añadido distintas cargas para obtener una formulación con las especificaciones adecuadas para un sistema de construcción modular.

Más detalles del nuevo bio-adhesivo desmontable

Para conseguir obtener un adhesivo desmontable sostenible se ha trabajado con la combinación de distintas cargas y aditivos junto con la formulación de adhesivos que tengan intrínsicamente propiedades reversibles. Esto es, que la propia estructura molecular del adhesivo se pueda modificar con un estímulo externo para que pierda sus propiedades de adhesión; y las correspondientes piezas unidas por él puedan separarse con facilidad. Con este fin se han diseñado materiales con estructura de vitrímero que cuentan con estas propiedades.

Los vitrímeros consisten en redes moleculares covalentes, que pueden cambiar su topología mediante reacciones de intercambio de enlaces activadas por un impulso externo que habitualmente tiene naturaleza térmica o electromagnética. Estos materiales presentan sistemas de entrecruzamiento dinámicos. De esta forma, estos materiales se comportan como termoestables clásicos en condiciones normales y son capaces de fluir como líquidos viscoelásticos cuando se les aplica el impulso correspondiente (Figura 1).

Figura 1. Ruptura y formación de nuevos enlaces tras la aplicación de un estímulo sobre un adhesivo reversible. Endurecedor basado en la cicloadición de Diels-Alder y con grupos amino terminales para su empleo en resinas epoxi

De esta manera, se ha conseguido la síntesis de endurecedores para resinas epoxi que contienen entidades moleculares tales que dan lugar a los mencionados entrecruzamientos dinámicos los cuales permiten la eliminación de la reticulación tras la aplicación de un estímulo externo, haciendo que los adhesivos así obtenidos puedan ser eliminados tras su tiempo de vida.

Calentamiento

En cuanto a la aplicación de estímulos externos se ha trabajado principalmente con el calentamiento del adhesivo mediante diferentes sistemas:

• Convección.
• Efecto joule.
• Inducción electromagnética.
• Radiación electromagnética (microondas).

Para ello se han utilizado aditivos específicos que han permitido definir una formulación que solo se convierte en “desmontable” frente a un estímulo externo en un intervalo de tiempo que va desde los 30 segundos hasta los dos minutos (dependiendo de la formulación del adhesivo y del sistema de calentamiento empleado tal y como se muestra en la figura 2) consiguiendo realizar la separación de los materiales bajo demanda y controlando por lo tanto la funcionalidad de la unión durante su vida útil.

Figura 2. Perfil de temperaturas de distintas muestras de adhesivo durante el calentamiento mediante MW (derecha) y mediante efecto joule (izquierda).

Los resultados del proyecto son muy prometedores ya que han permitido observar cómo es posible separar distintos materiales cuando se aplica un estímulo externo. También, que mediante el estudio de distintos sistemas de calentamiento es posible controlar las propiedades de la unión evitando el “despegue” de la misma durante su uso.

Sobre la investigación

Estos trabajos de investigación se han llevado a cabo en el marco del proyecto ECOGLUE II. AIMPLAS, Instituto Tecnológico del Plástico, e INESCOP, Centro Tecnológico del Calzado, lideran el proyecto ECOGLUEII cuyo objetivo es desarrollar una nueva generación de bioadhesivos que se validarán en los sectores del calzado, el transporte y la construcción.

El proyecto cuenta con la colaboración de la Universidad Rey Juan Carlos y con la Fundación Universidad Rovira Virgili, URV, con la participación de una decena de empresas valencianas interesadas en este desarrollo.

Este proyecto cuenta con la financiación de la Generalitat Valenciana, por medio de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana, a través de ayudas del IVACE con la cofinanciación de la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional. Ello se enmarca dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana para el periodo 2014-2020, cubriendo el siguiente objetivo temático del eje 1: reforzar la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación, y su prioridad de inversión 1b que, entre otros objetivos, persigue el fomento de la inversión empresarial en I+D+i a través de una especialización inteligente y mediante el apoyo a la investigación tecnológica y aplicada.

Esta tipología de ayudas está dirigida a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el desarrollo de proyectos de I+D de carácter no económico realizados en cooperación con empresas para el ejercicio 2020. 

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[1] C. Galan. Use of Natural-Fiber Bio-Composites in Construction versus Traditional Solutions: Operational and Embodied Energy Assessment. Materials 2016, 9, 465.

[2] C. Liudmila Bridging Sustainable Construction Technologies and Heritage. Sustainable Construction Technologies, 2019.

*Para más información: www.aimplas.es

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30.06.2021