Vitrímeros: Termoestables reprocesables para materiales compuestos avanzados

Hay una nueva palabra para añadir a tu léxico de compuestos, y va a merecer atención: Vitrímeros. Descubiertos y nombrados por primera vez en 2011 por el investigador francés Ludwik Leibler, los vitrímeros son una clase de plásticos derivados de polímeros termoestables que consisten en redes covalentes moleculares que pueden cambiar su topología mediante reacciones de intercambio de enlaces activadas térmicamente. Como los termoestables, los vitrímeros pueden formularse para entrecruzarse a ciertas temperaturas. Como los termoplásticos, a temperaturas elevadas los vitrímeros pueden ablandarse y reformarse.

Hasta hace poco, los vitrímeros se han confinado principalmente a entornos académicos y de laboratorio. Sin embargo, en los últimos un par de años un puñado de proveedores han comercializado vitrímeros que demuestran que esta clase de material ha llegado para quedarse. Uno de esos proveedores, Mallinda (Denver, Colorado, EE. UU.), está poniendo en marcha operaciones y productos basados en tecnología vitrímera, y demostrando la viabilidad del material.

Nacen los vitrímeros

Philip Taynton, CTO de Mallinda, fundó la empresa en 2014 con su compañero de clase Chris Kaffer, CEO. Taynton y Kaffer se conocieron en la Universidad de Colorado (CU-Boulder), donde ambos estaban en programas de posgrado, Taynton cursando su doctorado en química y Kaffer un MBA. Mallinda se creó para comercializar la investigación de vitrímeros que Taynton había hecho en CU-Boulder. El objetivo, dijo, era desarrollar y llevar al mercado una resina de matriz que procesara como un epóxi termoestable, pero que se reprocesara como un termoplástico. Kaffer aseguró financiación temprana para la empresa de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EE. UU. y del Estado de Colorado, lo que puso en marcha la empresa.

En 2016, Taynton y Kaffer trasladaron Mallinda al programa Cyclotron Road del Laboratorio de Berkeley (Berkeley, California, EE. UU.), ahora llamado Activate Fellowship, una incubadora de tecnología diseñada para ayudar a científicos emprendedores a avanzar proyectos con potencial de impacto global. Aquí, Kaffer y Taynton trabajaron para madurar su tecnología vitrímera y afinar un camino hacia la comercialización. "La beca resultó instrumental en dos aspectos clave", dice Taynton. "Primero, nos permitió centrarnos en la reducción de riesgo técnico en un entorno de clase mundial. Segundo, nos permitió expandir enormemente nuestra red de socios estratégicos, clientes, inversores, talento y mentores."

En 2018, Taynton y Kaffer movieron Mallinda de vuelta a Colorado y comenzaron el desarrollo de productos y producción en serio. En el camino, aseguraron financiación adicional de NSF, el Estado de Colorado, el Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. e inversión serie A de SABIC Ventures.

Termoestable reprocesable

El trabajo de vitrímeros de Taynton en CU-Boulder se centró en el desarrollo de una resina que usa enlaces químicos de imina intercambiables. Los enlaces de imina, dice, han sido bien conocidos en el mundo de la química durante muchas décadas, pero tienen la reputación de ser inestables en presencia de agua. Un enlace de imina, dice Taynton, "es muy especial porque, como un enlace doble carbono-nitrógeno, es muy fuerte y estable, pero también es fácilmente intercambiable con otros enlaces C=N cercanos sin necesidad de un catalizador. El avance que tuvimos en CU-Boulder fue el desarrollo de redes de imina perfectamente estables. Esto abrió la puerta a una nueva plataforma química que no solo podía competir con el rendimiento mecánico de los termoestables tradicionales, sino también permitir el reprocesamiento reversible de polímeros entrecruzados totalmente curados."

Además, señala Taynton, las redes de imina de Mallinda pueden producirse usando reactivos disponibles comercialmente. Tales atributos no obstante, el producto inicial de Mallinda tenía "rendimiento mecánico, punto de precio, sensibilidad ambiental y fabricabilidad todos menos competitivos para resinas compuestas. Nuestro desarrollo en los años desde que salimos de CU-Boulder se ha centrado en abordar todos estos problemas. Fuimos capaces de desarrollar una plataforma de tecnología de materiales mecánicamente robusta y versátil para competir con materiales heredados establecidos."

Taynton dice que su primer artículo sobre redes de imina, publicado en 2014, anticipaba la aplicación del material como resina de matriz para uso en fabricación de compuestos. "El potencial estaba ahí", dice, "pero había muchas incógnitas que hemos respondido en los últimos seis años."

Las respuestas a esas preguntas se centraron en el desarrollo de formulación dirigido a la producción a escala comercial. Hoy, Taynton dice, "no necesitamos sintetizar precursores químicos esotéricos para formular nuestras resinas. Como no tenemos que sintetizar ninguna nueva especie química, los costos de producción son significativamente más bajos, y podemos escalar muy rápidamente."

El resultado es una matriz de resina que Taynton dice "empieza como cualquier otro termoestable". Es una formulación de dos partes que tiene una vida útil y se cura usando cualquiera de los métodos tradicionales comunes en fabricación de compuestos, incluyendo moldeo por compresión, curado en horno o curado en autoclave. Cura en 1-3 minutos y entrecruza completamente como lo hace un termoestable. También puede prepregarse. Sin embargo, cuando la resina se calienta a temperaturas por encima del Tg del material, esos enlaces de imina comienzan a intercambiar rápidamente y la resina se ablanda. En este estado ablandado, la pieza puede reformarse hasta que la temperatura de la resina vuelva a bajar por debajo del Tg, momento en el que la reacción de intercambio de enlaces se ralentiza esencialmente a cero a medida que la red se congela por la transición vítrea.

Debido a la química reversible inherente a los vitrímeros, los materiales curados también pueden despolimerizarse y separarse de la fibra bajo condiciones suaves, simplemente por adición de precursores de monómero. Los monómeros mismos reaccionan reversiblemente en la red, y la descomponen en segmentos moleculares más pequeños, produciendo una resina líquida, que se separa fácilmente de la fibra y el relleno (ver video, arriba). La resina recuperada sin modificación puede formularse en la próxima generación de resina vitrímera de grado de producción. Según Taynton, la resina de segunda generación puede contener cargas de resina reciclada del 30-40%, lo que permitirá mayores ahorros de costos en el lado de la resina además del valor del material de fibra recuperado.

¿Cómo deberían llamar a tal material? Taynton enfatiza que aunque se reprocesa similar a un termoplástico, no es un termoplástico. Y aunque cura y entrecruza como un termoestable, no es un epóxi, poliéster, éster de vinilo ni ningún otro sistema de resina común. "Lo llamamos un termoestable reprocesable o reversible", dice Taynton.

Productos, aplicaciones

Mallinda está en medio del desarrollo y comercialización de dos resinas basadas en su tecnología de imina. Taynton dice que la primera, Vitrimax T60, dirigida al mercado de artículos deportivos, presenta un Tg que permite que el material se ablande a temperaturas disponibles para usuarios finales domésticos (60-80 °C) y luego se reforme para modificación física personalizada.

Posibles usos para este material incluyen bastones de esquí y almohadillas conformadas para protección personal. El segundo producto, llamado Vitrimax T130, se posiciona como un reemplazo directo para epóxis estructurales estándar. Tiene un rango de temperatura de proceso de 180-200 °C y un Tg de 130 °C. Puede formarse por compresión y está dirigido hacia uso en piezas automotrices, tapas de espar de palas eólicas y estructuras industriales.

Las formulaciones de Mallinda pueden comprarse en forma líquida, pero Taynton dice que el formato más amigable para el usuario son láminas completamente curadas. Para producirlas, Mallinda preprega la fibra elegida y luego la cura inmediatamente para crear un producto en lámina. Esta lámina puede transportarse y almacenarse fácilmente a temperatura ambiente, no tiene limitaciones de vida útil y puede recalentarse rápidamente para ablandarse y formarse en la forma final. "Los tiempos en molde durante este proceso de formado son muy rápidos", dice Taynton. "También hemos mostrado buena unión interlaminar de nuestro material. También se une muy bien al epóxi." La resina de Mallinda, informa Taynton, tiene una energía superficial similar al epóxi, por lo que es compatible con la mayoría de fibras que están dimensionadas para uso con epóxicos.

También en desarrollo por Mallinda son variedades de resina compatibles con pultrusión, moldeo por transferencia de resina (RTM) y cintas UD. También se está desarrollando una resina conforme a fuego, humo y toxicidad (FST). Además, las resinas están siendo evaluadas para uso con fibras de aramida y fibras de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE). La soldadura y la reparabilidad también se están analizando, dice Taynton.

Salida al mercado

Taynton sostiene que cuando él y Kaffer fundaron Mallinda, su enfoque inicial fue el desarrollo de una resina reprocesable que curara rápidamente usando procesos de fabricación de compuestos estándar. En los últimos años, sin embargo, dice, "La fuerza impulsora para este producto ha sido la economía circular. El reciclaje se ha vuelto imperativo, especialmente en la UE, y nuestro material es un buen ajuste para eso."

Sin embargo se use, llevar este producto al mercado requerirá, por supuesto, el desarrollo de capacidad de fabricación a escala industrial. Mallinda está construyendo capacidad en su ubicación de Denver para producir 1 tonelada corta de EE. UU. de cada uno de sus productos Vitrimax T60 y T130. El material de estas líneas se usará para pruebas de clientes y programas de validación.

La producción a escala completa se manejará por socios industriales que, dice Taynton, están mejor equipados para la tarea. Mallinda manejará el desarrollo de productos y ventas. Mallinda emplea actualmente a ocho personas, pero Taynton espera que ese número aumente a 12-15 después de que la empresa asegure su próxima ronda de financiación.