CAPACIDAD AUTO-REPARADORA

Objeto de la invención

La presente invención, lámina sintética polimérica autoportante impermeabilizante con capacidad auto-reparadora, se refiere a una lámina sintética aplicable en el sector de la construcción. Esta lámina autoportante puede ser mono-capa o multicapa. La lámina mono- capa en su composición comprende polímeros termoplásticos, arcillas del tipo esmectita y polímeros súper absorbentes (SAP) y es autoportante, es decir, que no se acompaña de una capa auxiliar, del tipo geotextil, mallas de refuerzo o geosintéticos de drenaje, que haga de capa soporte para la lámina mono-capa. Asimismo, la lámina mono-capa descrita puede ir acompañada de otras capas auxiliares de geosintéticos, dando lugar a una lámina multicapa que está formada por al menos dos capas, preferiblemente tres, las externas de composición similar a las existentes en la actualidad, geosintéticas, y la capa central con una composición como la anteriormente especificada y objeto de la presente invención.

La presente invención, la lámina sintética auto-reparadora autoportante se aplica en el campo la edificación, en la impermeabilización de cubiertas y estructuras subterráneas (soleras, muros...) y, en el campo de la obra civil, en la impermeabilización de vertederos, canales, túneles, balsas de agua, carreteras, muros, puentes...

Descripción del estado de la técnica

En la actualidad para la fabricación de láminas impermeabilizantes se utilizan materiales sintéticos (polímeros), como: polietileno (PE), polipropileno (PP), Policloruro de vinilo (PVC), Etileno propileno dieno monómero (EPDM), Betunes...y/o mezclas de ellos que se mezclan con pequeñas proporciones de aditivos.

También se usan combinaciones de diferentes geosintéticos, caso de las "mantas bentoníticas" en las que se confeccionan geocompuestos, es decir productos formados por la combinación de diferentes geosintéticos, por ejemplo geotextil-bentonita-geotextil, geotextil-bentonita-lámina plástica, etc., encontrándose en todos ellos la bentonita en polvo confinada entre las otras capas de geosintéticos, obteniéndose con esto geocompuestos sistemas de impermeabilización para edificación y obra civil. Estas materias primas sintéticas y/o naturales (PE, PP, PVC, EPDM, Betunes...) se utilizan como materias primas para la fabricación de láminas impermeabilizantes que se instalan en aquellas obras donde se las quiera dotar de: un alto grado de impermeabilidad, unas excelentes propiedades mecánicas, y alta durabilidad, entre otras. Las láminas impermeabilizantes existentes presentan una capacidad de absorción de agua extremadamente baja y gracias a esta característica son utilizadas para estas aplicaciones. Por otro lado, no presentan ningún efecto de absorción y por tanto de hinchamiento en contacto con el agua.

Una de las grandes limitaciones que tienen las láminas impermeabilizantes es su nula capacidad para mantener la estanqueidad cuando se produce en ellas una rotura, ya que no son capaces de parar la salida del líquido que contienen una vez que se ha producido esta rotura.

También se utilizan como barreras impermeabilizantes diversas soluciones basadas en la bentonita, tanto para aplicaciones en obra civil como para aplicaciones en edificación, así como:

• Lechadas o lodos de bentonita para la prevención de hundimientos en la construcción de túneles o como relleno de grietas.

• Mantas bentoníticas de impermeabilización, compuestas por una Geomembrana (lámina impermeabilizante, que su función principal es la de soporte de la capa de bentonita adherida)

• Geocompuestos formados por bentonita encapsulada entre una o dos capas de geotextil entretejido.

Estos productos requieren la fabricación de manera independiente de los geosintéticos que posteriormente son mecánicamente unidos, por ejemplo por soldadura, cosido o pegado, para que por ejemplo el componente aislante pueda soportarse. Asimismo, estos procedimientos de fabricación limitan el tamaño de las láminas.

En el estado de la técnica es conocida la bentonita sódica o montmorillonita, que se trata de una arcilla del tipo filosilicato trilaminar (FIG.1) del grupo de las esmectitas cuya estructura se configura por el apilamiento de unidades octaédricas principalmente de aluminio en forma de red, en medio de dos planos de tetraedros de Silicio (Si), entre las cuales se encuentran los cationes de compensación simples o hidratados.

La principal característica estructural de las arcillas tipo esmectita es que tanto el agua como otras moléculas polares, incluyendo moléculas orgánicas, pueden penetrar el espacio interlaminar causando una expansión de la red. Este fenómeno se debe a que las láminas paralelas que constituyen este grupo de arcillas están unidas por medio de fuerzas de Van der Waals y otras fuerzas electrostáticas. Esta conformación estructural las hacen ideales conformadas para actuar como barreras hidráulicas. En especial, la familia de las bentonitas sódicas son las más indicadas para esta aplicación debido a que tienen la capacidad de expandirse varias veces su volumen cuando están en contacto con el agua, aunque también se utilizan las bentonitas cálcicas o mezclas de cálcica y sódicas.

La bentonita está compuesta por montmorillonita en un alto porcentaje. Se distinguen diferentes tipos de bentonitas en función de los cationes presentes y su porcentaje. En usos industriales se ha demostrado que la hectorita es en algunos casos superior a las bentonitas (montmorillonita fundamentalmente) en capacidad de hinchamiento y dispersabilidad. Eso se ha atribuido a su menor tamaño de partícula.

Además de las esmectitas naturales, existen opciones sintéticas tales como la laponita (hectorita sintética), fluorohectoritas o micas fluoradas que pueden absorber agua e hincharse de un modo similar a las esmectitas. Existen arcillas con una activación sódica (bentonitas cálcicas, para obtener bentonitas sódicas).

La principal limitación que presentan las barreras impermeabilizantes que contienen polvo de bentonita es que conforman sistemas de impermeabilización de diferentes capas de geosintéticos en los que es necesario que la bentonita esté unida, soportada y/o confinada entre las capas que forman el sistema, como pueden ser: geotextiles, geomembranas, geomallas o combinaciones de ellas, de esta forma poder garantizar la cohesión del polvo bentonítico e impedir su migración y/o dispersión durante y después de la instalación.

Por otro lado, los polímeros súper absorbentes (con siglas en inglés SAP, Super Absorbent Polymer), son polímeros que pueden absorber y retener cantidades extremadamente grandes de un líquido en relación a su propia masa. Los polímeros absorbentes de agua, los cuales se clasifican como hidrogeles cuando reticulan, absorben soluciones acuosas a través de enlaces de puente de hidrógeno con las moléculas de agua. La capacidad de un SAP para absorber el agua es un factor de la concentración iónica de la solución acuosa.

Los SAP con baja densidad reticulación generalmente tienen una mayor capacidad absorbente y se hinchan a un grado mayor. Estos tipos de SAP también tienen una formación de gel más blando y pegajoso. Los polímeros con altas densidades de reticulación exhiben menor capacidad absorbente y se hinchan, pero la resistencia del gel es más firme y puede mantener la forma de las partículas, incluso bajo una presión moderada. El mayor uso de SAP se encuentra en los productos de higiene personal desechables, tales como pañales para bebés, ropa interior protectora para adultos y toallas sanitarias. Los SAP se utilizan también para bloquear la penetración de agua en cables de energía eléctrica o de comunicaciones subterráneas, agentes hortícolas de retención de agua, control de derrame y residuos de fluido acuoso, y la producción nieve artificial.

Los polímeros acrílicos, o polímeros súper absorbentes (SAP) en estado seco, se asemejan a un ovillo rizado (FIG. 2). Cuando estas moléculas son colocadas en agua, se establecen enlaces por puente de hidrógeno con el HOH las rodea causando que se desplieguen y enderecen (FIG. 3).

Cuando las moléculas se enderezan, aumentan la viscosidad del líquido circundante.

La química súper absorbente requiere dos cosas: La adición de pequeñas moléculas que unan transversalmente las hebras de polímero constituyendo una red (reticulación) y la neutralización parcial de los grupos ácido carboxilo (- COOH) a lo largo de la cadena principal del polímero (- COO ^" Na ⁺ ).

Las moléculas de agua son atraídas hacia la red a través de un gradiente de difusión que está formada por la neutralización de sodio de la cadena principal del polímero. Las cadenas de polímero desean enderezarse pero se ven limitados debido a la reticulación. Así, las partículas se expanden como el agua pasa a la red (FIG 4).

Las moléculas de agua se sujetan firmemente a los iones carboxilato de la red del polímero súper absorbente por enlaces por puente de hidrógeno. Muchos metales solubles también tienen tendencia al intercambio iónico con el sodio a lo largo de la cadena principal del polímero y son retenidos, motivo por el cual los poliacrilatos pueden ser utilizados como secuestrante o quelantes en algunos detergentes para su utilización en agua dura. El aspecto que presenta una molécula súper absorbente con mayor detalle aparece en la FIG 5, y a lo que una red de polímero súper absorbente se parece, a una escala mayor, se observa en detalle en la FIG.6.

Asimismo, en el estado de la técnica se pueden dar láminas que en su composición comprenden polímeros termoplásticos, arcillas del tipo esmectita y polímeros superabsorbentes que comprenden un plastificante. Un plastificante es un material que se incorpora a un plástico para facilitar su procesado y mejorar su flexibilidad. El uso de un plastificante hace que en una composición disminuya:

la viscosidad en estado fundido,

el módulo de elasticidad, y

la temperatura de transición vitrea (Tg) de un plástico. Por los tanto, los plastificantes se incorporan en una composición principalmente para:

facilitar la transformación del material,

aumentar la resistencia al impacto,

aumentan la flexibilidad,

- mejorar la ductilidad y la tenacidad de los polímeros, y

reducir la dureza y la fragilidad.

Sin embargo, además de las citadas ventajas, el uso de plastificantes conlleva algunos problemas como son:

- Problemas de toxicidad: Por ejemplo, los bifenilos policlorados de alta toxicidad no se usan ya como plastificantes. Los ésteres de ácido itálico, como el DOP, pueden extraerse de la sangre almacenada en bolsas y tubos de PVC plastificado. Estos ésteres aromáticos pueden desprenderse también de las tapicerías de PVC para automóviles cuando hace calor.

- La pérdida del plastif ¡cante en un material plástico lo convierte en un material frágil NO apto para el fin por el que ha sido fabricado, ya que acorta enormemente su vida útil, y

- Algunos plastificantes usados en la industria del plástico son peligrosos, como por ejemplo los plastificantes de "ftalato de di-2-etilhexilo" que son cancerígenos para los animales en ensayos de laboratorio y actualmente este producto se considera un cancerígeno potencial.

La presente invención por tanto tiene como objeto una lámina mono-capa auto-portante, y que comprende en su composición polímeros termoplásticos, arcillas del tipo esmectita y polímeros superabsorbentes sin ningún tipo de plastificante para evitar las desventajas asociados a los mismos.

Descripción de la invención

La propiedad auto-reparadora en las láminas impermeabilizantes auto-portantes objeto de esta invención es debida a la mezcla de diferentes porcentajes de polímeros termoplásticos, arcillas de filosilicatos del tipo esmectita o bentonítica y de polímeros súper absorbentes (SAP).

En la presente invención se consideran arcillas de filosilicatos del tipo esmectita las siguientes: Montmorillonita (bentonitas), Beidellita, Nontronita, Laponita, Fluorohectoritas... Los polímeros termoplásticos pueden ser polietilenos, polipropilenos, copolímeros

EVA....

Asimismo, los polímeros súper absorbentes pueden ser resinas hidrófilas (con base almidón, poliacrilatos, alcohol polivinílicos, PVA, PVOH) etc., y carboximetilcelulosa sódica entrecruzada, polímeros de ácido poliacrílico, polialcohol vinílico entrecruzado, alginato célico, copolímero de acrilato sódico-g-almidón.

Por lo tanto, el objetivo de esta invención es dotar a las láminas impermeabilizantes autoportantes de capacidad de autosellado y por tanto capacidad auto-reparadora para lo cual se les debe dotar de una gran capacidad de hinchamiento y de absorción de agua, objetivo que se consigue con la adición al polímero de diferentes cantidades de arcilla bentonítica (entre un 1 % y un 95% en peso) y, principalmente por la adición de un polímero absorbente, sin que sea necesario, como hasta ahora, la utilización de otras capas con el fin de unir, soportar o confinar al polvo bentonítico y conseguir de ésta forma un producto mono-capa o multicapa que se fabrique en un proceso continuo y único para conseguir una lámina que permita su autosellado cuando se produzca una rotura en esta lámina (barrera impermeable).

La propiedad de ser autoportante, debida a su composición, sin emplear materiales de refuerzo en la propia capa que conforma la lámina objeto de la invención, permite que la lámina mono-capa se soporte por si misma, es decir, que no precisa que se apoye sobre una capa o lámina auxiliar o que comprenda materiales de refuerzo embebidos en su composición, tal y como sucede en el estado de la técnica en el que las láminas mono-capa al no ser autoportantes se apoyan en geotextiles o geocompuestos drenantes (geodrenes), que actúan como capa soporte de la lámina mono-capa. Evidentemente, la lámina mono- capa objeto de la invención, puede acompañarse, en función de su aplicación, de otras capas auxiliares geosintéticas, como una geomembrana de impermeabilización, geotextiles o un geocompuesto drenante (geodren), por ejemplo. Como se ha mencionado, estas capas auxiliares se incorporan a la solución de estanqueidad de la lámina mono-capa objeto de la presente invención por sus funciones específicas que son de protección o filtración (geotextiles) o de drenaje (geodrenes).

Las roturas que se pueden producir en las láminas de impermeabilización hacen que éstas pierdan su principal característica, la estanqueidad. Estas roturas se pueden producir durante su instalación, por acción de la diferente maquinaria utilizada (máquinas retros, carretillas, camiones, etc.), por las diferentes irregularidades del terreno (elementos punzantes, piedras, etc.), etc. e incluso después de su instalación, por la acción de los animales, las plantas, etc.

El objeto de la presente invención es, por lo tanto, de acuerdo a lo anterior, una lámina impermeabilizante autoportante con capacidad de autorreparación conforme a la primera reivindicación. Dicha lámina puede tener diferentes construcciones, pudiendo estar formada por una sola capa, es decir, una lámina mono-capa; o por dos o más capas, es decir, una lámina multicapa.

La lámina mono-capa es autoportante y está formada por una sola capa y su composición comprende la mezcla de diferentes cantidades de:

· Polímeros termoplásticos poliolefínicos, que comprende: Polietilenos,

Polipropilenos, Copolímero EVA o compuestos con características similares.

• Polímero Súper absorbente (SAP), elegidos del grupo que comprende:

Resinas hidrófilas (con base almidón, poliacrilatos, alcohol polivinílicos, PVA, PVOH) etc., y carboximetilcelulosa sódica entrecruzada, polímeros de ácido poliacrílico, polialcohol vinílico entrecruzado, alginato cálico, copolímero de acrilato sódico-g-almidón, o compuestos con características similares, y

• Cargas inorgánicas o mezclas de ellas como son arcillas de filosilicatos del tipo esmectita Montmorillonita (bentonitas), Beidellita, Nontronita, Laponita, Fluorohectoritas.., pigmentos inorgánicos (negro de carbono, Óxidos de Titanio, etc).

El resultado de estas mezclas es una lámina mono-capa auto-reparadora que sella una rotura (agujero, grieta,..) en la lámina y de esta forma evita el escape del líquido (agua...) contenido en la misma.

La lámina multicapa es, igualmente, una lámina auto-reparadora formada en este caso por dos o más capas, donde una de las capas, normalmente una capa interna, está formulada igual que la lámina mono-capa autoportante descrita anteriormente y las demás capas pueden estar formuladas de igual forma que las láminas de impermeabilización actuales, de forma que, sí se produce una rotura en forma de agujero y/o grieta en la lámina impermeabilizante, ésta pueda ser sellada por la capacidad de autorreparación que posee la capa interna por su especial formulación, que como se ha mencionado comprende polímeros termoplásticos (TPO), arcillas bentoníticas y polímeros súper absorbentes (SAP), al entrar en contacto con el agua.

Asimismo, las láminas objeto de la invención, ya sean estas mono-capa autoportante según la reivindicación 1 , o multicapa que incluyen una lámina mono-capa autoportante según la reivindicación 1 , pueden unirse entre ellas por ejemplo mediante soldadura dando lugar a una láminas unidas.

Los componentes que forman la lámina auto-reparadora mono-capa y la lámina auto- reparadora multicapa comprenden:

a) Componentes plásticos formado por Materiales Termoplásticos:

i) Como los termoplásticos poliolefínicos, que comprende a: Polietilenos, Polipropilenos, Copolímero EVA....

ii) Polímeros Súper absorbentes (SAP) , hidrófilas (con base almidón, poliacrilatos, alcohol polivinílicos, PVA, PVOH) etc., y carboximetilcelulosa sódica entrecruzada, polímeros de ácido poliacrílico, polialcohol vinílico entrecruzado, alginato cálico, copolímero de acrilato sódico-g-almidón

b) Componente/s inorgánico/s formado por arcillas de filosilicatos del tipo esmectita, que comprende a: Montmorillonita (bentonitas), Beidellita, Nontronita, Laponita, Fluorohectoritas en un porcentaje en peso sobre la fórmula total comprendido entre el 1 % y el 95%, o formada por mezclas de la bentonita sódica con otras cargas inorgánicas como son los carbonatos, los bicarbonatos, los sulfatos, etc.,

Asimismo, es posible adicionar a la mezcla anteriormente descrita diferentes porcentajes de compuestos compatibilizadores para que hagan de puente o de unión entre los diferentes componentes de la mezcla (plástico y cargas minerales) con el fin de conseguir una buena miscibilidad entre ellos, estabilizadores, cargas, agentes vulcanizantes, aceleradores de gomas, colorantes, agentes que prevengan la formación de cargas electrostáticas, ayudas de proceso, antioxidantes, absorbentes de rayos UV, retardantes a la llama, agentes espumantes y otros principios resinosos.

La lámina mono-capa, pese a carecer de plastificante en su composición, presenta unas características en cuanto a viscosidad, módulo de elasticidad, temperatura de transición vitrea, resistencia al impacto, flexibilidad, ductibilidad y tencidad dureza, fragilidad..., en resumen, todas aquellas que son modificadas por los plastif ¡cantes, que son incluso superiores a los plásticos que usan plastificantes en su formulación, sin la necesidad de incorporar plastificantes en su formulación. La lámina mono-capa autoportante objeto de esta invención se obtiene por un proceso de extrusión con posterior calandrado. De igual manera, la fabricación de una lámina multicapa, por ejemplo formada con una o dos capas exteriores, geomebranas, asociadas a la lámina mono-capa objeto de la reivindicación 1 para formar un geocompuesto, se fabrica también mediante un procedimiento de extrusión, sin requerir un post-procesado ni ninguna manipulación posterior.

Este equipo de extrusión-calandrado está formado de forma esquemática por:

• Equipo de alimentación a las extrusoras capaz de proporcionar cargas al plástico entre el 1 % y el 95 % en peso.

• Extrusora/s.

• Equipo de coextrusión, con capacidad de obtención tanto de láminas mono-capa como multicapa que incorporen una lámina mono-capa según la reivindicación 1.

• Cabezal con un ancho mínimo desde 0,25m.

· Calandra con uno o más rodillos.

• Bobinadores.

• Arrastres.

La láminas descritas en esta invención, ya sea mono-capa o multicapa (FIG.7), obtenidas según el procedimiento de coextrusión, pueden tener un espesor de entre 0,01 mm y 20 mm, sin embargo, el rango de espesores más usuales para estas láminas es el comprendido entre 1 ,00 mm y 5,00 mm.

Asimismo, la lámina mono-capa autoportante objeto de la invención puede llegar a tener una anchura de hasta 12 metros debido a su composición y a su procedimiento de fabricación.

Descripción de las figuras

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de figuras, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1 muestra una representación esquemática de la estructura de la bentonita sódica o montmorillonita, que se configura por el apilamiento de unidades octaédricas principalmente de aluminio en forma de red, en medio de dos planos de tetraedros de Silicio (Si), entre las cuales se encuentran los cationes de compensación simples o hidratados.

La figura número 2 muestra una representación esquemática de un polímero súper absorbente en estado seco, con forma de ovillo rizado.

La figura número 3 muestra el procedimiento esquemático de mezcla de una molécula de un polímero súper absorbente en estado seco al ser colocada en agua (H20). La figura número 4 muestra el procedimiento esquemático de mezcla de una red de un polímero súper absorbente en agua (H20).

La figura número 5 muestra una representación esquemática de una molécula súper absorbente.

La figura número 6 muestra una representación esquemática de una red de un polímero súper absorbente.

La figura número 7 muestra una lámina multicapa objeto de la invención. Descripción de una forma preferente de realización

A continuación se describirá un ejemplo preferente de realización del objeto de la presente solicitud, aunque la presente invención no está limitada a este ejemplo concreto.

Para la producción y obtención de unas láminas auto-reparadoras autoportantes se ha utilizado una formulación que comprende los siguientes componentes:

· Resinas termoplásticas poliolefínicas (TPO) de densidades comprendidas entre 0.820 g/cc y 0,940 g/cc

• Bentonita Sódica.

• Poliacrilato Sódico como SAP.

• Masterbatch de Negro de Carbono y otros aditivos, excluyendo plastificantes y lubricantes

Esta formulación se ha procesado en una máquina (extrusora) de doble husillo co- rotante unida a un cabezal plano, las formulaciones de la lámina 1 y de la lámina 2 han sido los indicados en las siguientes dos tablas (Tabla 1 - Lámina 1 y Tabla 2 - Lámina 2).

Componente Porcentaje Utilizado

TPO 45

Bentonita Sódica 50

Poliacrilato Sódico 5

Tabla 1. Lámina 1.

Componente Porcentaje Utilizado

TPO 40

Bentonita Sódica 50

Poliacrilato Sódico 5

Negro de Carbono y otros aditivos 5

Tabla 2. Lámina 2.

El material fundido sale en forma de lámina por el cabezal de la máquina de extrusión. Esta lámina aún caliente y fundida se hace pasar por los rodillos de la calandra donde la lámina se somete a un enfriamiento adecuado. Una vez conseguido el adecuado enfriamiento el producto resultante, en forma de lámina, se bobina.

El resultado han sido rollos de diferentes longitudes y anchos de hasta 12 metros.

Las láminas obtenidas comprenden espesores de entre 1 ,00 mm y 5,00 mm.

La figura 7 muestra un ejemplo de una lámina multicapa objeto de la invención, en la que se observa una capa central autoportante (2), conforme a la reivindicación 1 , con al menos una capa externa hidrófoba (1) a cada lado y sin arcilla ni polímeros absorbentes de agua, y que representan un espesor de entre un 1 % al 75 % del total de espesor. Preferiblemente la capa central autoportante tiene un espesor que representa entre el 25% y el 99% del total y las capas externas (1) sirven adicionalmente como capas de refuerzo. Dicha capa o capas de refuerzo pueden comprender al menos una malla de refuerzo, que puede ser de diferentes materiales tales como poliéster, fibras de vidrio, polipropileno o combinaciones de ellos.