Alternatives sostenibles per al desenvolupament de materials termoestables

2024/10/14 Eider Fuentes Aguirre - eider.fuentes@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Patricia Ares Elejoste - ares@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Aitziber Iturmendi Aguirrebeitia - iturmendi@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Koldo Gondra Zubieta - gondra@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Rubén Seoane Rivero - seoane@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Un dels problemes més greus en l'actualitat és l'esgotament del cru, és a dir, l'escassetat de productes basats en el petroli, però també hi ha greus problemes ambientals associats al consum de petroli, com la contaminació i el canvi climàtic. És per això que s'està bolcant cada vegada més en la recerca de les alternatives renovables en els materials de compòsit. (2)

En els últims anys s'han desenvolupat resines termoestables a partir de fonts renovables. No són reciclables, però suposen una gran millora quant a la sostenibilitat. Perquè aquests materials siguin més sostenibles s'ha incrementat l'ús de reforços renovables.

 

RESINES TERMOESTABLES I SOSTENIBLES

Existeix un gran interès en el desenvolupament d'aquestes resines a causa de les seves propietats. Aquest tipus de resines, una vegada polimeritzades, tenen la capacitat de formar xarxes creuades que aporten al compòsit excel·lents propietats químiques, mecàniques i tèrmiques. En aquest grup de resines destaquen l'epoxia, el polièster, els binilésteres i la bencoxacina (fenòlica).

Resina PFA

La resina furan s'obté dels subproductes de l'agricultura, concretament del furfural furan, a través de la hidròlisi catalítica de la biomassa. Això es converteix en un fèmur alcohòlic que, per reacció de condensació, s'obté la resina furan. Aquesta resina és adequada per a substituir la resina fenòlica per la seva estabilitat tèrmica i bones propietats mecàniques i durabilitat.

Resina benzoxacina d'origen biològic

La resina benzoxacina termoestable es classifica en la família dels fenols. En els últims anys s'està generant un gran interès pels seus avantatges: bona estabilitat tèrmica, absència de contraccions… És sostenible i flexible en el disseny molecular i permet realitzar síntesi amb fenols i amines de fonts naturals, com la lignina, d'on s'obtenen composts com la vanil·lina, l'eugenol i el guayacol. Aquests compostos permeten el desenvolupament de materials de polibentzoxacina amb diferents propietats.

Resina epoxi d'origen biològic

En l'actualitat, les resines epoxi són les resines d'origen biològic més desenvolupades. Entre les seves característiques destaquen la baixa contracció, la facilitat d'adaptació, la bona adhesió i l'alta resistència a l'aire lliure.

Les resines biològiques epoxi s'obtenen a través de dues vies principals: d'una banda, la reacció directa amb els compostos biològics i, per un altre, l'epoxidació dels enllaços dobles. Les resines epoxi biofundadas es divideixen en tres grups: aromàtics, alifàtics i completament biològics. S'utilitzen cardinas, lignina i àcid gàl·lic com a font per a produir resines aromàtiques. Els olis vegetals, com la soia i el ricí, s'utilitzen per a resines alifàtiques, tal com s'observa en la figura 2.

Resina de polièster

Les resines de polièster es generen a través de la condensació d'àcids i alcohols, formant xarxes creuades. Tenen bones propietats mecàniques i, en comparació amb les resines epoxi, tenen un baix cost. En els últims temps ha augmentat l'interès per utilitzar matèries primeres renovables per a la síntesi d'aquesta mena de resines, com l'àcid itacónico.

 

REFORÇOS SOSTENIBLES

Fibres naturals

Les fibres naturals, en ser resistents i rígides, posseeixen les qualitats adequades per al seu ús en compòsits. En comparació amb els compòsits tradicionals, els compòsits fabricats amb fibres naturals han despertat una gran atenció en la indústria, sobretot per la seva densitat i pel respecte al medi ambient. Les fibres naturals estan formades per nombroses cadenes llargues de cel·lulosa i lignina que s'uneixen mitjançant enllaços d'hidrogen per a donar solidesa i rigidesa. A més de les fibres vegetals, existeixen fibres animals com la llana, les plomes i els pèls animals, tots ells importants recursos.

Fibres natural-polímers compòsits

Els compòsits de fibres naturals són materials formats per una matriu polímer. Per a això s'utilitzen fibres naturals robustes com el lli i el jute. Les fibres naturals són cada vegada més utilitzades, ja que tenen una rigidesa i una resistència similars a les fibres de vidre. La humitat, el caràcter hidrofílic de les fibres i el nombre de fibres influeixen en les seves propietats. La composició química de les fibres (cel·lulosa, hemicelulosa, lignina i ceres) també és determinant. S'han realitzat estudis sobre la idoneïtat d'aquestes fibres, d'una banda amb matrius variades i per un altre amb processos de fabricació per al canvi de superfície.

Compòsits híbrids

S'estan elaborant composicions híbrides de fibres naturals reforçades amb l'objectiu de ser ambientalment més adequades i respondre a les exigències de les indústries que busquen la sostenibilitat. Els compòsits híbrids es desenvolupen col·locant dos o més fibres naturals en una sola matriu. Avui dia, molts investigadors estan intentant triar la millor combinació de fibres naturals per a aprofitar-les i minimitzar els inconvenients.

Nuclis sostenibles

Les estructures compostes tipus sandvitx són dues capes adossades a un nucli que proporcionen una gran resistència a la compressió i flexió, així com una major rigidesa, sense un augment significatiu de pes. Són de gran utilitat sobretot en la indústria aeroespacial, en la construcció naval i en les indústries del transport i la construcció.

La creixent consciència ambiental en els últims anys ha portat a la recerca i desenvolupament de nuclis sostenibles. Aquests materials, obtinguts a partir de fonts renovables i reciclables, ofereixen beneficis com la biodegradabilitat i l'aïllament tèrmic i acústic.

 

RECICLATGE DE COMPÒSITS

En els últims anys, l'acumulació de materials composts de deixalla ha generat una certa inquietud. Per això, molts països han començat a estudiar la reutilització i la reciclabilitat d'aquests materials.

En aquest apartat no es descriurà cada mètode de reciclatge disponible per a materials composts (reciclatge mecànic, tèrmic i químic), sinó que es presentaran els estudis i desenvolupaments més recents sobre resines termoestables reciclables. Entre els avanços recents en resines termoestables reciclables es troben:

- Resines fenòliques reciclables: S'ha desenvolupat una resina fenòlica totalment reciclable, de bona reciclabilitat i alta resistència tèrmica, comparable amb els bitrimeros. (4)

- Resines epoxi autocompensables: S'ha investigat sobre la resina epoxi autovalorable i reciclable, i s'han obtingut propietats mecàniques i tèrmiques mitjançant l'ús de disulfur en la seva composició. (5)

- Tecnologia Recyclamine: permet el reciclatge de materials composts basats en resina epoxi, per a la recuperació dels reforços i la conservació adequada de les propietats, utilitzant la solució diluïda de l'àcid acètic. (3)

- Resina Elium: Resina termoplàstica reciclable basada en monòmers acrílics, amb bones propietats mecàniques i facilitat de processament.

- Resina Akelite: És una resina acrílica que es pot reciclar submergint-se en l'acetona, amb bones propietats mecàniques i capacitat de termoformat.

Aquests desenvolupaments reflecteixen un avanç significatiu en la sostenibilitat dels materials composts. A més, s'obtenen les propietats mecàniques i tèrmiques adequades, així com una creixent reciclabilitat.

 

APLICACIONS

Les aplicacions dels biocomposites han cobrat cada vegada més força a Europa a conseqüència de les regulacions mediambientals. A més, la Directiva (1) EURO 6 castiga els automòbils amb emissions de CO2 superiors a 95 g/km i promou l'ús de biocomposites per a reduir aquestes emissions. A més, la Directiva 2000/53/CE estableix l'objectiu de reciclar el 95% del pes dels automòbils, fomentant l'ús de biocomposites.

Els biocompuestos tenen aplicacions en diferents sectors. Entre altres: electrònica avançada, sector aeronàutic, automoció, etc.

A més, s'espera que l'ús de biocomposites augmenti en els pròxims anys. Segons un estudi, en el període 2018-2030, el mercat de compòsits s'ha valorat en 24,59 mil milions de dòlars en 2021 i s'espera que augmenti un 16,1% (1).

 

CONCLUSIONS

Com a conclusió, la revisió analitza les alternatives sostenibles dels sistemes termoestables convencionals i destaca la necessitat de més estudis per al desenvolupament de resines de major contingut biològic. Els sistemes reciclables i termoestables tenen unes propietats generoses, i alguns, com Recyclamin, permeten reutilitzar el material en la segona vida. Malgrat els avanços en sostenibilitat, és necessari analitzar més alternatives per a abordar de manera integral el problema ambiental.

 

BIBLIOGRAFIA

1 Andrew, J.J.; Dhakal, H.N. 2022. “Sustainable biobased compòsits for advanced applications: Recent trends and future opportunities”. Compos.

2 Ares-Elejoste, P. Seoane- Rivero, R., Gándarias, I., Iturmendi, A., La góndola, amb el nom de K. 2023.“Sustainable Alternatives for the Development of Thermoset Compòsits with Low Environmental Impact” Polymers 15 (13).

3 La Rosa, A.D.; Blanco, I.; Banatao, D.R. ; Pastine, S.J. ; Björklund, A.; Cicala, G. 2018.“Innovative Chemical Process for Recycling Thermosets Cured with Recyclamines® by Converting Bio-Epoxi Compòsits in Reusable Thermoplastic—An LCA Study.” Materials 11, 353.

4 Liu, x.; Li, I.; Shing, X.; Zhang, G.; Jing, 10. 2021. “Fully recyclable and high performance phenolic resin based on dynamic urethane bonds and its application in self-repairable compòsits.” Polymer, 229.

5 Zhang, I.; Iuan, L.; Liang, G.; Nosaltres, A. 2018. “Developing Reversible Self-Healing and Malleable Epoxi Resins with High Performance and Fast Recycling through Building Cross-Linked Network with New Disulfide-Containing Hardener.” Eng. Chem. Cap de bestiar.57, 12397–12406.