SMC ecológico con fibras naturales mejora rendimiento industrial

Alerón trasero producido con nuevo SMC orgánico. Los investigadores lograron llenar estructuras acanaladas complejas con parámetros de procesamiento convencionales. No hallaron separación de fibra y matriz. Crédito foto: Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)

Desarrollo de SMC orgánico con rellenos y fibras naturales

Un compuesto de moldeo en lámina (SMC) orgánico que puede acomodar rellenos y fibras naturales —como cáscaras de semillas de girasol molidas y juncos— ha sido desarrollado por Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Wallenhorst, Alemania), productor de productos semiacabados de polímero para una variedad de industrias, y el Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Alemania), una institución de investigación sin ánimo de lucro del estado de Renania-Palatinado y la Universidad Técnica de Kaiserslautern especializada en desarrollo y procesamiento de compuestos. El objetivo es el desarrollo de un compuesto termoestable con una huella de CO₂ relativamente pequeña.

"Asistimos al IVW con nuestra experiencia y materiales SMC, así como en las pruebas posteriores para producción industrial", dice Peter Ooms, director de ventas y desarrollo de negocio en Lorenz. "El instituto de Kaiserslautern hizo las pruebas preliminares a escala de laboratorio, investigación general y desarrollo de formulaciones para el nuevo SMC orgánico."

Encuesta a usuarios potenciales

Las dos organizaciones desarrollaron una hoja de especificaciones de materiales basada en una encuesta a 30 empresas en varias industrias incluyendo eléctrica, automotriz y equipos industriales. "Nuestra encuesta mostró que diferentes industrias tienen diferentes requisitos para el material", dice Ooms. Sin embargo, casi todos querían que tuviera una evaluación del ciclo de vida (LCA) para documentar aspectos ambientales y reducción de CO₂ en producción, así como reciclabilidad. "Elegimos los posibles materiales orgánicos para producción de SMC basados en estos requisitos."

Los socios decidieron desarrollar un SMC de fibra de vidrio que comprende parcialmente un relleno basado en orgánico. Para el relleno, se consideraron varias opciones, incluyendo cáscaras de semillas de girasol molidas y juncos, harina de madera, carbonato de calcio reciclado de plantas de ablandamiento de agua industrial, y material de reciclaje termoestable. Como iniciativa adicional de sostenibilidad, las materias primas se obtuvieron dentro de 500 kilómetros de la instalación de Lorenz.

La investigación sobre el SMC y los rellenos y cómo los materiales podían procesarse se realizó en el IVW. Los factores considerados incluyeron impregnabilidad, densidad, viscosidad y disponibilidad de la materia prima. Los investigadores trabajaron con una resina de poliéster insaturado (UP) y un aditivo anti-encogimiento mientras desarrollaban la formulación.

Trabajo en las formulaciones

Luego, los socios definieron los parámetros para un componente de demostración a fabricar usando el nuevo material. "Este demostrador nos ayudó a examinar el comportamiento de flujo y llenado de molde del material, y compararlo con productos semiacabados SMC convencionales", dice el Dr.-Ing. Florian Gortner, científico del IVW. "Basándonos en estos resultados y en pruebas de reometría de prensa, construimos un modelo de simulación para demostrar el comportamiento de flujo y permitir predicciones sobre otras geometrías de molde."

Tras la investigación inicial, se desarrolló una pasta de resina SMC base que comprende una resina de poliéster insaturado (UP) junto con un aditivo anti-encogimiento, óxido de magnesio y un agente de desmoldeo interno para espesar la resina, y una pasta de color. Esta pasta de resina pasó por pruebas para que los investigadores pudieran entender cómo cada uno de los componentes individuales interactuaba dentro del SMC. Series de pruebas iterativas de formulaciones de resina con diferentes rellenos resultaron finalmente en una serie de resinas basadas en relleno orgánico con la viscosidad, flujo y comportamiento de impregnación deseados.

"Óxido de magnesio y un agente de desmoldeo interno se usaron para espesar la resina, y se añadió una pasta de color para colorear los productos semiacabados. Trabajando a partir de los resultados de la encuesta, añadimos aditivos adicionales y adaptamos la pasta de resina a la aplicación", dice Gortner.

Realizaron varias iteraciones de las formulaciones hasta obtener las que presentan la viscosidad, flujo y comportamiento de impregnación deseados. El material resultante permite la producción de productos semiacabados con una densidad menor que el SMC convencional, lo que Lorenz espera que sea atractivo para el mercado de vehículos eléctricos. El siguiente paso será producir una versión comercial de la resina, lo que Ooms dice que Lorenz planea lograr este año.

"Ahora que junto con IVW hemos logrado hacer este nuevo termoestable, planeamos más mejoras para aplicaciones prácticas", añade Ooms. Por ejemplo, Lorenz puede desarrollar iteraciones del material que varíen la cantidad de pasta de resina en proporción a los rellenos, o sustituir la fibra de vidrio por fibra natural, dependiendo de la aplicación. Lorenz también dice que las resinas de poliéster insaturado podrían reemplazarse con resinas más seguras y respetuosas con el medio ambiente.

"El objetivo de nuestro proyecto de investigación era demostrar que el uso de componentes basados en orgánicos en productos semiacabados termoestables es posible. Gracias al apoyo activo de Lorenz, pudimos hacerlo con éxito, y continuaremos incorporando retroalimentación de la producción industrial en nuestros resultados", dice Gortner.