Reinventando los compuestos: materiales sostenibles para el futuro

A medida que la tecnología de compuestos se desarrolla, también debería hacerlo nuestra comprensión de lo que los compuestos pueden ser y lo que pueden ofrecer.

Este blog se originó a partir de un comunicado de prensa que recibí de IntegriCo Composites (Sarepta, Louisiana, EE. UU.), que fabrica traviesas de ferrocarril compuestas y esterillas de construcción. Al ver su comunicado y web, ambos enfocados en reciclaje y transformación de residuos plásticos en productos finales de rendimiento mejorado y sostenibles, me di cuenta de que era una tecnología 100% plástica. Así que respondí y dije: «vuestra definición de compuesto no coincide con la nuestra». Pero me equivoqué.

 

Cómo una mezcla se convierte en compuesto

¿Cuál es la definición de compuesto?

Expliqué que aunque IntegriCo afirma que sus productos son compuestos con propiedades superiores, en realidad son una aleación —una amalgama fundida de plásticos. No hay refuerzo de fibra y no más de un material identificable en el producto final.

Brian Arkwood, director técnico de IntegriCo, discrepó, explicando que los productos de IntegriCo son una mezcla de dos o más tipos de materiales que retienen una identidad única, diseñados e ingenierizados mediante procesamiento para entregar características y rendimiento superiores. «Permítanme clarificar», dijo.

Nuestro proceso usa una mezcla de PEAD (polietileno de alta densidad) y PEBD (polietileno de baja densidad), así como polipropileno y poliestireno. Esto es por diseño, ya que cada uno de estos polímeros disímiles contribuye a las características generales del producto final. Podemos manipular y/o cambiar las propiedades del producto final variando las proporciones de cada plástico y/o el procesamiento de la mezcla global. Los plásticos variables no se funden simplemente juntos, sin embargo.

Aquí es donde esta mezcla se diferencia como compuesto:

«Los plásticos de mayor peso molecular (HMW) que no se funden están dispersos a través del polímero continuo de los plásticos que se procesan por encima de la temperatura de fusión. A medida que esta mezcla se enfría, los plásticos sufren el proceso de nucleación. La velocidad y el proceso de nucleación se controlan mediante la temperatura de procesamiento, la velocidad de enfriamiento y la posterior carga de un agente nucleante. Este agente es un químico desarrollado por IntegriCo y solo usado en nuestro proceso».

«A medida que tiene lugar la nucleación, la cristalinidad general de la mezcla plástica se manipula y los polímeros HMW no fundidos se entrelazan entre las cadenas de polímero que están unidas covalentemente. Los polímeros también se manipulan mediante tensión de cizallamiento para reducir la viscosidad durante el moldeo para promover mejor interacción y entrelazamiento de polímeros nucleados con los polímeros no fundidos».

 

Nucleación, cristalinidad y control de relación de aspecto

Para mí, los conceptos clave aquí son nucleación (el proceso inicial de formación de cristales), control de cristalinidad (gestión de la formación de cristales) y manipular el proceso para lograr una mejor interfaz entre los polímeros nucleados entrelazados y los polímeros no fundidos. Lo último es realmente crucial para compuestos, porque sin una buena interfaz entre los diferentes materiales, no hay transferencia de carga efectiva y no hay rendimiento superior.

Recordad también que en el área de alto crecimiento de compuestos termoplásticos, los polímeros que ofrecen mayores propiedades mecánicas así como mayor resistencia a temperatura y químicos son semicristalinos. Esas propiedades semicristalinas se logran y adaptan gestionando la cristalinidad, típicamente mediante control de temperatura durante el procesamiento.

Las traviesas de ferrocarril compuestas de IntegriCo ofrecen una forma de reutilizar residuos plásticos en un producto compuesto de rendimiento superior, donde plástico de alto punto de fusión alargado refuerza una matriz de plástico de bajo punto de fusión. FUENTE | IntregiCo Composites

La descripción de Arkwood también me hizo pensar en plásticos autorreforzados (SRP), como Pure, Curv, Armordon, Tegris y el más reciente, el proyecto BIO4SELF, que ganó un Premio a la Innovación JEC 2019. Típicamente, los compuestos SRP se hacen usando un polímero de bajo punto de fusión (PE, PP o biopolímero PLA) y reforzando ese con una fibra de mayor punto de fusión hecha del mismo polímero. Este uso de polímeros de alto y bajo punto de fusión es exactamente lo que IntegriCo está haciendo. Así que pregunté a Arkwood si los polímeros de mayor peso molecular (HMW) no fundidos que está usando realmente aparecen/forman/se comportan como fibras?

«Permite algunos de los mismos beneficios que las fibras», dijo. «Cambiamos las relaciones de aspecto de los polímeros HMW dentro de la matriz polimérica para impulsar las propiedades del producto. Aumentar o disminuir los polímeros HMW, junto con cambios en otros parámetros operativos, puede tener efectos significativos en propiedades plásticas como módulo de elasticidad, módulo de rotura y dureza».

Arkwood explica que IntegriCo puede modificar proporciones de polímeros y parámetros operativos para satisfacer necesidades específicas de clientes. «Hemos documentado esto con datos de pruebas destructivas y hemos cumplido peticiones impulsadas por propiedades para clientes incluyendo Union Pacific y el Ejército de EE. UU. La proporción de polímeros —HMW a BMO y lineal a no lineal o altamente ramificado— juega un papel en nuestros productos muy parecido al refuerzo de fibra en otros productos compuestos plásticos, afectando las propiedades clave de rendimiento de resistencia, rigidez, dureza y tenacidad».

 

Sostenibilidad

Así que, primer punto, IntegriCo确实 proporciona una inspiración digna de mención por la industria de compuestos ya que nuestro planeta está siendo destruido por residuos. Más del 90% del plástico se convierte en residuo en todo el mundo y más de 34 millones de toneladas métricas de plástico se envían a vertederos o incineradores cada año solo en EE. UU. y Canadá. IntegriCo ofrece una solución real reciclando plásticos rígidos mixtos y grados típicamente no reciclables 3-7, que China dejó de recibir en 2018. Los grados plásticos 3-7 son los más difíciles de reciclar según el Sistema de Codificación de Identificación de Resinas (RIC) de ASTM International que identifica los polímeros constituyentes y reciclabilidad de todos los plásticos. Los grados 1 (PETE, PET) y 2 (PEAD) son altamente reciclables, y el 5 (PP) empieza a reciclarse, mientras que todos los demás grados incluyendo 3 (PVC), 4 (PEBD), 6 (PS) y 7 (Otros) no se reciclan actualmente. Así, IntegriCo está marcando la diferencia, desviando residuos de vertedero e ingenierizándolos en productos compuestos de valor añadido que duran más que las alternativas, produciendo menos residuos con el tiempo.

 

Nano-CMC

Mi segundo punto es que la tecnología avanza en lo que es un compuesto. Creo que eso ya está impactando el avance de la ciencia de materiales compuestos y quiero inspirar desarrollos futuros. Lo que disparó esta realización para mí fue el uso de nucleación por Arkwood. La reconocí inmediatamente de mi investigación reciente en compuestos de matriz cerámica nano (nano-CMC, ver mi artículo de julio 2019 sobre nanocompuestos).

Esto es de un artículo de noviembre 2017, «Nanocompuestos de polímero y cerámica para aplicaciones aeroespaciales»:

 «Los nanocompuestos son los materiales del siglo veintiuno con una tasa de crecimiento anual del 25% debido a sus capacidades multifuncionales. ... Debido a la posibilidad de combinar propiedades deseadas, los nanocompuestos están expandiendo sus potenciales en aplicaciones aeroespaciales y en futuras misiones espaciales. ... Los nano-cargadores aumentan la capacidad de nucleación mejorando la interacción interfacial con la matriz polimérica».

No puedo avalar la tasa de crecimiento del 25%, pero es obvio que los nanocompuestos ofrecen mucho potencial. Este texto discutía la nucleación de nano-cargadores. Lo nuevo para mí fue el desarrollo de nano-CMC donde una matriz cerámica se refuerza no con una fibra o cargador sino con otra cerámica, donde la nucleación y cristalización de esta última se controlan para producir refuerzo de alta relación de aspecto.

En mi artículo de julio 2019 sobre nanocompuestos, uso una ilustración del artículo de Paola Palmero de 2015, «Nanocompuestos Cerámicos Estructurales: Una Revisión de Propiedades y Métodos de Síntesis de Polvos» para mostrar ejemplos de compuestos a micro y nanoescala. A, B y C muestran una matriz a microescala (micrónica) reforzada con nanopartículas, nanofibras o nano-láminas, respectivamente, mientras D tiene tanto refuerzos nanométricos redondeados como de alta relación de aspecto. Sin embargo, E y F ilustran nanocompuestos bi-fásicos y multi-fásicos, respectivamente, donde las cerámicas a nanoescala son inmiscibles.

Fig. 1 Estructuras comunes de compuestos micro/nano para materiales cerámicos.
FUENTE | «Nanocompuestos Cerámicos Estructurales: Una Revisión de Propiedades y Métodos de Síntesis de Polvos» por Paola Palmero.

 

Palmero describe la cristalización in-situ de segundas fases en la superficie de partículas de matriz —en otras palabras, la matriz es la primera fase y otra cerámica es la segunda fase— como uno de los procesos clave involucrados en la fabricación de nanocompuestos cerámicos. Tras la cristalización, el tamaño y forma de los cristales o granos cerámicos se gestionan, lo cual es crucial, ya que estos determinan las propiedades a granel del compuesto cerámico. Por ejemplo, se sabe que los granos alargados tienen un efecto de endurecimiento in-situ. Palmero señala que la capacidad de adaptar las características nanoestructuradas deseadas en estos compuestos sinterizados es vital pero desafiante, exigiendo estricto control de proceso en toda la mezcla, formado, sinterizado y densificación.

Una ilustración y discusión similar se ve en la Fig. 6 en el libro de Intechopen.com, Características Físicas y Metalúrgicas de Compuestos de Matriz Cerámica Reforzados con Fibra. Sección 9.1.2 discute la microestructura de nanocompuestos de nitruro de silicio (Si₃N₄)/carburo de silicio (SiC), que se hacen por sinterizado (prensado en caliente). Su microestructura contiene partículas alargadas grandes de β-Si₃N₄ (bigotes) rodeadas por partículas más finas de β-Si₃N₄ con formas de aguja. El micrografío electrónico de barrido abajo de la Fig. 7b muestra esta estructura a aumento 20.000.

Estas secciones transversales de nanocompuestos cerámicos bi-fásicos (izquierda) y compuestos plásticos reciclados (derecha) son en realidad bastante similares, aunque difieren mucho de las secciones transversales de compuestos reforzados con fibra continua convencionales.

FUENTE | Figura 7, Sección 9.1.2 de Características Físicas y Metalúrgicas de Compuestos de Matriz Cerámica Reforzados con Fibra por Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová y Petr Jonšta (izquierda) y sección transversal de traviesa de ferrocarril compuesta, IntegriCo Composites (derecha).

 

Beneficios de compuestos bi- y multi-fásicos

¿Por qué esto beneficia a la industria de compuestos? Porque los científicos de materiales están usando esta nueva definición de compuestos para lograr combinaciones únicas y adaptadas de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ablativas. Por ejemplo, el Laboratorio de Investigación Naval (NRL, Washington, D.C., EE. UU.) ha desarrollado compuestos de nitruro de silicio, nitruro de circonio y diboruro de titanio, así como métodos para reforzarlos con fibras tenaces. Estas cerámicas refractarias exhiben alta resistencia, estabilidad térmica y conductividades eléctricas y térmicas variables que les permiten cumplir las demandas de componentes de vehículos hipersónicos —algo que los compuestos de polímero orgánico e incluso aleaciones metálicas avanzadas no pueden hacer.

NRL también está desarrollando tecnología de fabricación aditiva que incorporará nanoestructuras en estos materiales y afinará aún más propiedades dieléctricas, térmicas y de blindaje electromagnético a una resolución más alta que la posible con materiales disponibles actualmente. Incluso si no necesariamente estás de acuerdo con las aplicaciones de defensa planeadas para estos materiales, también podrían proporcionar soluciones valiosas para exploración espacial planeada y misiones a Marte. Pero también pueden abrir nuevas vías para compuestos totalmente biobasados que ofrezcan no solo alto rendimiento aquí en la tierra, sino también la capacidad de hacerlo de forma sostenible y de manera que materiales y productos finales puedan fabricarse y reciclarse usando menos energía y recursos.

No sugiero que los compuestos reforzados con fibra estén saliendo del escenario o incluso desvaneciéndose. Pero a medida que la tecnología se desarrolla, también debería hacerlo nuestra comprensión de lo que los compuestos pueden ser y lo que pueden ofrecer.