Alternativas sostibles para o desenvolvemento de materiais 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 dos problemas máis graves na actualidade é o esgotamento do cru, é dicir, a escaseza de produtos baseados no petróleo, pero tamén hai graves problemas ambientais asociados ao consumo de petróleo, como a contaminación e o cambio climático. É por iso que se está envorcando cada vez máis na investigación das alternativas renovables nos materiais de composite. (2)

Nos últimos anos desenvolvéronse resinas termoestables a partir de fontes renovables. Non son reciclables, pero supoñen unha gran mellora en canto á sustentabilidade. Para que estes materiais sexan máis sostibles incrementouse o uso de reforzos renovables.

 

RESINAS TERMOESTABLES E SOSTIBLES

Existe un gran interese no desenvolvemento destas resinas debido ás súas propiedades. Este tipo de resinas, unha vez polimerizadas, teñen a capacidade de formar redes cruzadas que achegan ao composite excelentes propiedades químicas, mecánicas e térmicas. Neste grupo de resinas destacan a epoxia, o poliéster, os binilésteres e a bencoxacina (fenólica).

Resina PFA

A resina furano obtense dos subproductos da agricultura, concretamente do furfural furano, a través da hidrólisis catalítica da biomasa. Isto convértese nun fémur alcohólico que, por reacción de condensación, obtense a resina furano. Esta resina é adecuada para substituír a resina fenólica pola súa estabilidade térmica e boas propiedades mecánicas e durabilidad.

Resina benzoxacina de orixe biolóxica

A resina benzoxacina termoestable clasifícase na familia dos fenoles. Nos últimos anos está a xerarse un gran interese polas súas vantaxes: boa estabilidade térmica, ausencia de contraccións… É sostible e flexible no deseño molecular e permite realizar síntese con fenoles e aminas de fontes naturais, como a lignina, de onde se obteñen compostos como a vainillina, o eugenol e o guayacol. Estes compostos permiten o desenvolvemento de materiais de polibentzoxacina con diferentes propiedades.

Resina epoxi de orixe biolóxica

Na actualidade, as resinas epoxi son as resinas de orixe biolóxica máis desenvolvidas. Entre as súas características destacan a baixa contracción, a facilidade de adaptación, a boa adhesión e a alta resistencia ao aire libre.

As resinas biolóxicas epoxi obtéñense a través de dúas vías principais: por unha banda, a reacción directa cos compostos biolóxicos e, por outro, a epoxidación de enlácelos dobres. As resinas epoxi biofundadas divídense en tres grupos: aromáticos, alifáticos e completamente biolóxicos. Utilízanse cardinas, lignina e ácido gálico como fonte para producir resinas aromáticas. Os aceites vexetais, como a soia e o ricino, utilízanse para resinas alifáticas, tal e como se observa na figura 2.

Resina de poliéster

As resinas de poliéster xéranse a través da condensación de ácidos e alcois, formando redes cruzadas. Teñen boas propiedades mecánicas e, en comparación coas resinas epoxi, teñen un baixo custo. Nos últimos tempos aumentou o interese por utilizar materias primas renovables para a síntese deste tipo de resinas, como o ácido itacónico.

 

REFORZOS SOSTIBLES

Fibras naturais

As fibras naturais, ao ser resistentes e ríxidas, posúen as calidades axeitadas para o seu uso en composites. En comparación cos composites tradicionais, os composites fabricados con fibras naturais espertaron unha gran atención na industria, sobre todo pola súa densidade e polo respecto ao medio ambiente. As fibras naturais están formadas por numerosas cadeas longas de celulosa e lignina que se unen mediante enlaces de hidróxeno para dar solidez e rixidez. Ademais das fibras vexetais, existen fibras animais como a la, as plumas e os pelos animais, todos eles importantes recursos.

Fibras natural-polímeros composites

Os composites de fibras naturais son materiais formados por unha matriz polímero. Para iso utilízanse fibras naturais robustas como o liño e o yute. As fibras naturais son cada vez máis utilizadas, xa que teñen unha rixidez e unha resistencia similares ás fibras de vidro. A humidade, o carácter hidrofílico das fibras e o número de fibras inflúen nas súas propiedades. A composición química das fibras (celulosa, hemicelulosa, lignina e ceras) tamén é determinante. Realizáronse estudos sobre a idoneidade destas fibras, por unha banda con matrices variadas e por outro con procesos de fabricación para o cambio de superficie.

Composites híbridos

Están a elaborarse composicións híbridas de fibras naturais reforzadas co obxectivo de ser ambientalmente máis axeitadas e responder as esixencias das industrias que buscan a sustentabilidade. Os composites híbridos desenvólvense colocando dous ou máis fibras naturais nunha soa matriz. Hoxe en día, moitos investigadores están a tentar elixir a mellor combinación de fibras naturais para aproveitalas e minimizar os inconvenientes.

Núcleos sostibles

As estruturas compostas tipo sándwich son dúas capas encostadas a un núcleo que proporcionan unha gran resistencia á compresión e flexión, así como unha maior rixidez, sen un aumento significativo de peso. Son de gran utilidade sobre todo na industria aeroespacial, na construción naval e nas industrias do transporte e a construción.

A crecente conciencia ambiental nos últimos anos levou á investigación e desenvolvemento de núcleos sostibles. Estes materiais, obtidos a partir de fontes renovables e reciclables, ofrecen beneficios como a biodegradabilidad e o illamento térmico e acústico.

 

RECICLAXE DE COMPOSITES

Nos últimos anos, a acumulación de materiais compostos de refugallo xerou certa inquietude. Por iso, moitos países comezaron a estudar a reutilización e a reciclabilidad destes materiais.

Neste apartado non se describirá cada método de reciclaxe dispoñible para materiais compostos (reciclaxe mecánica, térmico e químico), senón que se presentarán os estudos e desenvolvementos máis recentes sobre resinas termoestables reciclables. Entre os avances recentes en resinas termoestables reciclables atópanse:

- Resinas fenólicas reciclables: Desenvolveuse unha resina fenólica totalmente reciclable, de boa reciclabilidad e alta resistencia térmica, comparable cos bitrimeros. (4)

- Resinas epoxi autocompensables: Investigouse sobre a resina epoxi autovalorable e reciclable, e obtivéronse propiedades mecánicas e térmicas mediante o uso de disulfuro na súa composición. (5)

- Tecnoloxía Recyclamine: permite a reciclaxe de materiais compostos baseados en resina epoxi, para a recuperación dos reforzos e a conservación axeitada das propiedades, utilizando a solución diluída do ácido acético. (3)

- Resina Elium: Resina termoplástica reciclable baseada en monómeros acrílicos, con boas propiedades mecánicas e facilidade de procesamiento.

- Resina Akelite: É unha resina acrílica que se pode reciclar mergullándose na acetona, con boas propiedades mecánicas e capacidade de termoformado.

Estes desenvolvementos reflicten un avance significativo na sustentabilidade dos materiais compostos. Ademais, obtéñense as propiedades mecánicas e térmicas axeitadas, así como unha crecente reciclabilidad.

 

APLICACIÓNS

As aplicacións dos biocomposites cobraron cada vez máis forza en Europa como consecuencia das regulacións medioambientais. Ademais, a Directiva (1) EURO 6 castiga aos automóbiles con emisións de CO2 superiores a 95 g/km e promove o uso de biocomposites para reducir esas emisións. Ademais, a Directiva 2000/53/CE establece o obxectivo de reciclar o 95% do peso dos automóbiles, fomentando o uso de biocomposites.

Os biocompuestos teñen aplicacións en diferentes sectores. Entre outros: electrónica avanzada, sector aeronáutico, automoción, etc.

Ademais, espérase que o uso de biocomposites aumente nos próximos anos. Segundo un estudo, no período 2018-2030, o mercado de composites valorouse en 24,59 mil millóns de dólares en 2021 e espérase que aumente un 16,1% (1).

 

CONCLUSIÓNS

Como conclusión, a revisión analiza as alternativas sostibles dos sistemas termoestables convencionais e destaca a necesidade de máis estudos para o desenvolvemento de resinas de maior contido biolóxico. Os sistemas reciclables e termoestables teñen unhas propiedades xenerosas, e algúns, como Recyclamin, permiten reutilizar o material na segunda vida. A pesar dos avances en sustentabilidade, é necesario analizar máis alternativas para abordar de forma integral o problema ambiental.

 

BIBLIOGRAFÍA

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

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

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

4 Liu, x.; Li, E.; 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 composites.” Polymer, 229.

5 Zhang, E.; Yuan, L.; Liang, G.; Nós, A. 2018. “Developing Reversible Self-Healing and Malleable Epoxy Resins with High Performance and Fast Recycling through Building Cros-Linked Network with New Disulfide-Containing Hardener.” Eng. Chem. Res.57, 12397–12406.