Diseño de biopolímero a partir de fibras y nanofibras de residuos biomásicos de piña como mejorador de las propiedades reológicas de asfaltos a fatiga - Villegas Villegas, Rafael Ernesto (2026)
El envejecimiento oxidativo es uno de los principales mecanismos responsables del deterioro de los ligantes asfálticos, modificando progresivamente su composición química, estructura y comportamiento viscoelástico, aumentando su rigidez y reduciendo su resistencia a la fatiga. En este contexto, el objetivo de esta investigación fue diseñar un biopolímero a partir de fibras y nanofibras derivadas de residuos de biomasa de piña para mejorar las propiedades reológicas de los ligantes asfálticos sometidos a fatiga. Esto se logró mediante el desarrollo de una metodología de diseño racional para ligantes asfálticos bioinspirados, basada en un enfoque multiescala de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Esta metodología permitió comprender los mecanismos de envejecimiento y aplicar este conocimiento como base para el diseño de nuevas arquitecturas funcionales. La investigación se desarrolló mediante una estrategia metodológica organizada en etapas sucesivas. Inicialmente, se estableció una metodología de caracterización y diagnóstico multiescala a través del estudio de modificadores poliméricos comerciales, residuos plásticos y materiales derivados de biomasa, lo que permitió comprender la influencia del procesamiento en la estabilidad, reproducibilidad y rendimiento de los materiales asfálticos. Paralelamente, se desarrollaron procesos sostenibles para la obtención y caracterización de fibras, nanofibras de celulosa, lignina y biochar a partir de residuos lignocelulósicos de piña, sentando las bases para su uso como materiales funcionales. Posteriormente, se analizó la evolución química, morfológica, estructural y reológica del ligante asfáltico mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), análisis térmico y reometría de cizallamiento dinámico (DSR). Este análisis empleó envejecimiento acelerado mediante RTFO y PAV, así como exposición natural en condiciones tropicales durante dieciocho meses. Los resultados demostraron que el envejecimiento ambiental no sigue un patrón estrictamente monótono, sino que evoluciona a través de ciclos de oxidación superficial, fragilización, desprendimiento de material y exposición de nuevas capas de ligante. Esto proporciona una interpretación más representativa del deterioro que la obtenida mediante protocolos de laboratorio convencionales. Como parte del desarrollo metodológico, se diseñó y validó el método RHEO+, basado en la temperatura transversal (Tcross) como biomarcador reológico del estado estructural del aglutinante. Este método permitió una correlación directa entre la evolución química del material y su comportamiento viscoelástico, proporcionando un indicador sensible para interpretar la progresión del envejecimiento oxidativo. Posteriormente, se desarrolló y validó el método RHEOVEF, basado en ensayos de fatiga bajo condiciones de tensión controlada, estableciendo una relación entre el estado estructural del aglutinante y su resistencia mecánica a cargas repetidas. A partir del conocimiento generado, se investigó el efecto de las estrategias antioxidantes derivadas de la biomasa, utilizando biochar como material modelo para comprender los mecanismos de protección contra el envejecimiento oxidativo. Esta etapa demostró que la función antioxidante constituye un principio de diseño independiente del material utilizado y puede implementarse mediante diferentes mecanismos químicos, proporcionando la base conceptual para la formulación de sistemas funcionales más complejos. Finalmente, se desarrolló una arquitectura funcional bioinspirada, basada en la organización jerárquica de las cáscaras de huevo. Esta arquitectura integró nanofibras de celulosa obtenidas de residuos de piña como elemento de refuerzo estructural, lignina recuperada del mismo flujo de biomasa como fase estabilizadora y antioxidantes naturales derivados de los residuos de la producción de aceite de açaí como mecanismo de protección contra la oxidación. La formulación se incorporó al aglutinante mediante un proceso de mezclado optimizado a 140 °C durante 15 minutos, significativamente más eficiente que los procesos convencionales utilizados para modificadores de polímeros sintéticos. La validación experimental demostró que la arquitectura bioinspirada redujo la formación de grupos carbonilo durante el envejecimiento natural en aproximadamente un 13,5 %, limitó el aumento de la temperatura de transición (Tcross) e incrementó la vida útil a la fatiga del aglutinante, evaluada mediante el método RHEOVEF, en aproximadamente un 325 %. Estos resultados demuestran que la integración funcional de biomateriales modifica favorablemente la evolución química, estructural y mecánica del aglutinante, preservando su estabilidad viscoelástica durante el envejecimiento. La principal contribución de esta tesis va más allá del diseño del biopolímero desarrollado. Su contribución fundamental radica en el establecimiento de una metodología científica para el diseño racional de ligantes asfálticos bioinspirados, basada en una comprensión multiescala de la relación entre composición química, estructura, función y rendimiento. Esta metodología transforma el desarrollo de materiales para infraestructura vial, pasando de un enfoque predominantemente empírico a un proceso de diseño fundamentado en los principios de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, proporcionando una plataforma para el desarrollo de ligantes asfálticos más duraderos y sostenibles, adaptados a las condiciones de servicio reales.