Los composites termoplásticos se presentan como una alternativa para la industria frente a los composites termoestables. Estos últimos emplean como matriz una resina termoestable que adquiere rigidez al producirse el entrecruzamiento de sus cadenas poliméricas.
Como resultado de esta reacción, los composites no pueden volver a reprocesarse, dificultando su reciclabilidad. Por lo tanto, la alternativa es la sustitución de la matriz termoestable por polímeros termoplásticos fácilmente reciclables, ya que se pueden volver a fundir durante varios ciclos de procesado.
Los composites termoplásticos están formados por una matriz de polímero termoplástico reforzado por fibras largas que pueden ser de carbono, vidrio, basalto, polímero o cualquier otro tipo de material, incluyendo fibras naturales o fibras poliméricas. Además, se pueden incluir aditivos que doten al composite de otras funcionalidades como resistencia al fuego, conductividad eléctrica, antibacteriano, entre otras.
Sus principales beneficios son:
- Bajo peso.
- Alta resistencia mecánica sin perder ductilidad: La incorporación de fibras de gran longitud permite obtener alta rigidez, sin comprometer la resistencia al impacto tal y como ocurre con el refuerzo con fibras cortas.
- Adaptables a diferentes procesos de fabricación: inyección, compresión o deposición automática de fibra.
- Tiempos de ciclo de fabricación cortos, permitiendo altos volúmenes de producción.
- Combinación con otros materiales, componiendo materiales híbridos de menor coste según los requisitos de cada pieza: sobre moldeo, compresión y soldadura son ejemplos de procesos que pueden emplearse para la formación de soluciones híbridas.
- Economía circular: la ventaja de los composites termoplásticos con respecto a los tradicionales termoestables es que son fácilmente reciclables. Además, se puede emplear un polímero biodegradable como matriz e incluso como fibra de refuerzo, teniendo una solución totalmente sostenible.
Otros datos destacados
El desarrollo de composites termoplásticos comenzó en el sector aeronáutico, empleando polímeros técnicos de altas propiedades mecánicas y alta resistencia a la temperatura, tales como el PEEK (Polieteretercetona), PEI (Polieterimida), PI (Poliimida), PPS (Polisulfuro de Fenileno) y PAEK (Poliariletercetona), reforzados con fibras de carbono.
En el sector automotiriz, los polímeros más empleados son el PP (Polipropileno) y las PA (Poliamidas), casi siempre reforzadas con fibra de vidrio, siendo un composite más económico y superando en gran medida las propiedades de los composites termoplásticos de fibra corta tradicionales.
Una alternativa más económica es el empleo de polímeros reciclados. Su refuerzo con fibra larga permite aumentar sus propiedades, lo que puede suponer una estrategia muy adecuada para la valorización de residuos plásticos.
Otros sectores en los cuales los composites termoplásticos pueden ser de gran interés son el ferroviario, naval, espacio y defensa.
El proceso de producción de pellets y tapes de fibra larga se basa en la pultrusión de composites termoestables en el cual las fibras de refuerzo son guiadas hasta el baño de impregnación de resina y posteriormente se hacen pasar un molde guía o calibre que dará la forma del perfil.
En el caso de los composites termoplásticos, el proceso es algo más complicado ya que el baño de impregnación se alimenta con una extrusora asegurando que el polímero está fundido y la fibra se impregna correctamente.
La selección del polímero matriz es crucial, siendo las propiedades reológicas del mismo un factor altamente influyente en la correcta impregnación de la fibra.
En caso de que la fibra no se impregne bien, la interfase entre la matriz y el refuerzo no será apropiada. Se generarán huecos entre ambas fases que serán un inicio de grietas y potenciará el fallo mecánico del material.
La compatibilidad química entre fibra y matriz es otro factor a tener en cuenta. El ensimage de la fibra y la incorporación de aditivos compatibilizantes en la matriz ayudará a mejorar esta compatibilidad y a igualar polaridad y tensión superficial de ambos materiales.
Por otro lado, la incorporación de aditivos en la matriz debe realizarse asegurando la correcta mezcla de los mismos, obteniendo una matriz con propiedades isotrópicas.
Una mezcla incorrecta dará lugar a aglomerados que actuarán como concentrador de tensiones e invalidarán las simulaciones de comportamiento frente a esfuerzos realizadas en software de cálculo de elementos finitos (FEM).
Para asegurar la correcta mezcla se emplean extrusoras co-rotativas de doble husillo. La configuración de husillo y las condiciones de procesado pueden ser optimizadas mediante simulación.
Participación de Aimplas en el sector
Aimplas, Instituto Tecnológico del Plástico, dispone del software Ludovic, el cual permite reducir el número de pruebas experimentales y optimizar la calidad del compuesto con menor número de pruebas experimentales, además de una línea de impregnación de fibra larga de escala planta piloto con la que se pueden obtener muestras con 1-3 kg de material.
Esta línea de pultrusión está acoplada a una extrusora co-rotativa de doble husillo, con la que se obtienen “tapes” unidireccionales para deposición de fibra (AFP y ATL) y pellets de fibra larga para inyección o moldeo por compresión.
La matriz puede ser modificada para dotar estos materiales de nuevas funcionalidades, como resistencia al fuego, conductividad eléctrica o térmica, apantallamiento electromangético, entre otros.
La línea ha sido diseñada y optimizada gracias al proyecto FIBRALLARGA, que cuenta con la financiación de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través de ayudas del IVACE con la cofinanciación de los fondos FEDER de la UE, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2014-2020.
Estas ayudas están dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el desarrollo de proyectos de I+D de carácter no económico realizados en cooperación con empresas para el ejercicio 2019.