I + D / Nuevos Materiales y Sostenibilidad. Revalorización de residuos, no tejidos y composites
ECOTEXCOMP: Investigación y desarrollo de estructuras textiles aplicables como refuerzo de materiales compuestos de marcado carácter ecológico.
Fecha: 2011
1. Motivaciones por las que se realiza el proyecto (razones del estudio).
Proyecto liderado por Antecuir, S.L. y en el que también participan Selvafil SA, Estambril Group, ITM-UPV y AITEX, como socios tecnológicos.
Debido a una preocupación social creciente y a una normativa más restrictiva, el desarrollo de materiales ecológicos, sostenibles o «medioambientalmente amistosos» se ha extendido enormemente durante las últimas décadas. Dentro de este paradigma, surge la necesidad de diseñar materiales poliméricos compuestos (composites) de origen natural como alternativa a los composites sintéticos de origen petroquímico.
El campo de investigación de los materiales compuestos y, mayoritariamente, de los polímeros reforzados con fibra, es uno de los más favorecidos dentro de esta nueva tendencia; Bastioli y col. , y Mohanty y col. propusieron el diseño de materiales compuestos a partir de matrices y fibras de origen natural, «green-composites»: A estos nuevos materiales se les exige que además de cumplir con las regulaciones medioambientales consigan sustituir a los composites poliméricos convencionales, constituidos por matrices sintéticas (compuestos epoxi, fenólicos y poliestirénicos) reforzados con fibras de carbón o vidrio.
En este contexto científico-técnico se enmarca la iniciativa presente. Este proyecto plantea por tanto, desarrollar y optimizar estructuras de materiales compuestos de base natural donde, tanto las matrices poliméricas como los elementos de refuerzo e incluso los aditivos, provengan de recursos renovables.
Estos nuevos «green-composites» deben ser capaces de satisfacer un buen equilibrio de propiedades (mecánicas y térmicas fundamentalmente) junto a un procesado sencillo mediante técnicas de transformación de materiales compuestos convencionales como infusión de resina (VIP), moldeo por transferencia de resina (RTM) y termocompresión
2. Objetivos
El objetivo principal del proyecto «ECOTEXCOMP: Investigación y desarrollo de estructuras textiles aplicables como refuerzo de materiales compuesto de marcado carácter ecológico» es, desarrollar estructuras textiles complejas, en términos de composición y estructura, con un marcado carácter ecológico y con posibilidades de ser utilizadas como refuerzo en paneles de materiales compuestos de matriz polimérica en aplicaciones de protección balística.
Para ello, la composición de los tejidos aplicables como refuerzos de material compuesto queda restringida a la utilización de los siguientes materiales:
• Fibras de aramida, procedentes del reciclado de neumáticos. El presente proyecto contempla la revalorización de este residuo textil generado por la industria de automoción.
• Fibras naturales, preferentemente, de origen vegetal. La utilización de estos materiales dotará a los refuerzos textiles de un marcado carácter ecológico dado su origen renovable y su biodegradabilidad.
• Fibras de basalto. La utilización de este material era opcional, pero esta fibra técnica se emplea para potenciar las propiedades mecánicas de los refuerzos textiles objeto de invención. Esta fibra es contemplada como una alternativa sumamente interesante desde el punto de vista económico a las fibras de vidrio y/o de carbono. En ningún caso, la utilización de la fibra de basalto puede representar más de un 25% en peso en los tejidos objeto de investigación. De esta forma, en tanto en cuanto el refuerzo textil conste, como mínimo, de un 75% en peso de materiales recuperados y/o naturales, queda salvaguardado su carácter ecológico y de respeto por el medio ambiente.
Durante la última anualidad del proyecto se ha contemplado además la implementación de otras fibras técnicas tales como la fibra de residuo de pizarra, material éste con una fuerte componente ecológica y de propiedades similares a las de la fibra de basalto.
Además, sobre los refuerzos textiles objeto de investigación se han aplicado diferentes tratamientos de modificación química superficial con el objeto de mejorar las prestaciones mecánicas de los paneles de material compuesto.
En el presente proyecto se ha propuesto la utilización de matrices poliméricas derivadas de fuentes renovables para el diseño de los composites. Los polímeros termoestables utilizados en este proyecto como matrices de los composites son compuestos químicos derivados de la modificación química de los ácidos triglicéridos de aceites vegetales. Igualmente, se ha hecho uso de biomateriales termoplásticos tipo PLA, PHA o TPS como matrices de materiales compuestos de matriz termoplástica para el desarrollo de un segundo conjunto de composites ecológicos.
La técnica de fabricación propuesta para procesar los materiales compuestos susceptibles de ser desarrollados empleando las estructuras textiles de refuerzo es el moldeo por infusión en vacío (VIP). Durante el proceso de impregnado de la resina se utilizan diferentes materiales auxiliares: tubos para conducir la resina, goma adhesiva de sellado, tejidos tipo peel-ply y bleeder-ply, etc. En el proceso de laminación manual empleado, los refuerzos son apilados sobre el molde por el operario y éste, empleando un cepillo o u rodillo aplica la resina. La presión ejercida por la bolsa o saco durante el proceso (consecuencia del vacío aplicado) sirve para eliminar el exceso de resina en el laminado, aumentando por tanto la relación fibra/matriz con respecto a los métodos tradicionales. Esta técnica deber ser desarrollada por personal experimentado, toda vez que se trata de un proceso que reviste cierta complejidad operacional. Esta técnica VIP presenta numerosas ventajas frente a otros métodos tradicionales como, por ejemplo, la técnica vacuum bagging. Adicionalmente, se debe señalar que los materiales compuestos de matriz termoplástica desarrollados en el marco del proyecto han requerido la utilización de la técnica de fabricación conocida como moldeo por compresión.
3. Resultados Obtenidos
Las expectativas generadas en el proyecto han sido cubiertas: se han obtenido prototipos de composites de protección frente a impacto de proyectil, así como se ha continuado con la línea de trabajo paralela relacionada con la fabricación de biocomposites ecológicos de tipo termoplástico. En esta fase de desarrollo de composites balísticos se han utilizado textiles de refuerzo con características y composiciones muy particulares. Por un lado se debe destacar la adecuada utilización de materiales compuestos basados en la utilización de fibras de aramida, de basalto y fibras naturales destinados a sistemas de blindajes personales y de medios de transporte. Algunos de estos materiales de refuerzo han sido previamente funcionalizados mediante la utilización de diferentes técnicas de tratamiento superficial.
Durante la tercera anualidad del proyecto se han ejecutado en su totalidad los trabajos de caracterización avanzada de composites destinados a la fabricación de sistemas de protección balística.
Se ha reconsiderado la utilización de determinados tipos de resinas y de refuerzos textiles de protección balística, ampliándose la matriz de materiales a utilizar en la fase de desarrollo de refuerzos considerando ciertos materiales de deshecho textil así como la fibra de residuo de pizarra (material de tipo volcánico con propiedades similares a las de la fibra de basalto). Sobre los textiles desarrollados en la fase de reingeniería se han aplicado diferentes tratamientos de compatibilización, preferentemente de tipo químico o de plasma atmosférico. Estos sustratos textiles han sido utilizados como refuerzo de composites de matriz termoestable y termoplástica, en ambos casos considerando matrices de origen petroquímico y renovable. La fase de reingeniería se finaliza, como no puede ser de otra forma, estudiando las propiedades funcionales de los composites objeto de investigación y desarrollo, empelando la misma metodología descrita para la anterior fase del proyecto: capacidad de biodegradación, características mecánicas, resistencia a fuego, a agentes climatológicos y a impacto de bala.
El proyecto se ha concluido con la realización de un completo estudio de viabilidad técnica, económica y medioambiental de los resultados generados en el trabajo de investigación. Se ha realizado un estudio de mercado acerca de las actuales industrias textiles y de composites dedicadas a la fabricación de soluciones para los ámbitos de defensa. Este estudio ha revelado las bondades desde el punto de vista técnico y medioambiental de las soluciones técnicas consideradas en el marco de actuación del proyecto. El coste relativamente alto de los refuerzos textiles desarrollados por el consorcio ECOTEXCOMP podría dificultar no obstante una pronta comercialización de los mismos en el corto-medio plazo.
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