Recubrimientos respetuosos con el medio ambiente

Juan Antonio Igualada Ortega
Director técnico de las divisiones de termoplástico para el sur de Europa, Ferro Spain, S.A.15/04/2005

En los procesos de molde abierto, empleados para fabricar piezas de poliéster reforzado con fibra de vidrio, se emplean resinas y gel coats. Un gel-coat es una resina de poliéster con agentes tixotrópicos (para evitar que descuelgue en las paredes del molde), extensores de pigmentos (cargas) para dar propiedades de flujo, pigmentos para dar el color deseado y aditivos para proporcionar una serie de propiedades de curado. Los gel-coats se aplican generalmente sobre un molde, bien sea manualmente o mediante un equipo de proyección. Su propósito es el de dar una protección estética a la pieza.

Sin embargo, durante las fases de atomización y post-aplicación (laminado y curado) se desprenden Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC’s) y diversas sustancias tóxicas. El principal componente emitido es el estireno, el cual está clasificado como contaminante peligroso del aire, posee un bajo umbral de detección olfativa y provoca irritación en la piel y mucosas. Otros compuestos tóxicos que pueden hallarse presentes son el peróxido de metil etil cetona (MEKP), metacrilato de metilo (MMA), acetona, tolueno, xileno y cloruro de metileno. Todas estas emisiones están siendo objeto de legislaciones cada vez más estrictas por parte de la UE, que ha endurecido de forma drástica los niveles de emisión de monómeros al medio ambiente y en atmósfera industrial y la eliminación de residuos industriales. Los niveles máximos de emisión de estireno se hallan actualmente entre 25 y 50 partes por millón (dependiendo del país en cuestión), y se espera que se sitúen pronto alrededor de 20 - 25 partes por millón, lo cual será difícil de alcanzar con los métodos actuales de trabajo en moldes abiertos. Los límites permitidos en el ambiente según la OSHA Americana son de 50 ppm.

A fin de ayudar a la Industria a cumplir con los requisitos futuros, diversas empresas han desarrollado materiales y equipos que pueden ayudar a reducir las emisiones. Las principales tecnologías empleadas son:

1) Reformulación y sustitución de materias primas:

Resinas con bajo contenido en estiren (25-35% estireno)
Resinas con supresores de emisiones
Catalizadores
Laminación con resinas curables por UV
Gel Coats en base acuosa
Mezclas de Poliuretanos
y Poliuretano/Poliéster (IPN’s)
Sustitutos de la acetona

2) Metodologías de Proceso y Equipos:

Uso de prepregs
Aplicación sin atomización - Sistemas HVL (High Volume - Low Pressure)
Moldeo por vacío (VM)
Procesos por Infusión o SCRIMP
Infusión con cubiertas semi-rígidas
Resin Transfer Molding (RTM)
Moldeo rotacional de pequeños depósitos
Aplicación electrostática
Pulverización controlada

3) Mejoras en el almacenamiento, mantenimiento, formación, control de inventarios, gestión de residuos y reciclaje.

Diversos estudios han mostrado que mediante técnicas de aplicación mejoradas (reducción del overspray), uso de productos de bajo contenido y baja emisión de estireno, así como equipos de aplicación sin atomización, pueden reducirse las emisiones de estireno entre un 11 y un 52%.

Pueden distinguirse dos fases en el proceso de emisión de estireno en los gel-coats:

Cuando es pintado con equipo de atomización se pierde aproximadamente un 10% y si es un equipo de airless un 5%.

La segunda fase es cuando el gel-coat esta gelificando. Esta pérdida esta influenciada por la temperatura (calor de reacción), tiempo de gel, espesor, área superficial, configuración del molde y ventilación. aproximadamente se puede considerar otro 10-15% de perdida como término medio.

Los aditivos supresores de emisiones funcionan por incompatibilidad con la resina, formado un film en la superficie del laminado e inhibiendo la evaporación del estireno. Este efecto sólo se produce durante la fase estática del ciclo de aplicación, es decir, que estos aditivos sólo son efectivos durante el curado del laminado, una vez el gel coat y resina han sido ya aplicados. Consecuentemente, es necesario complementar su uso con la utilización de resinas especiales.

La compañía se ha comprometido en el desarrollo de productos y resinas que ayuden a los transformadores a cumplir la legislación actual y a estar preparados para los cambios que se avecinan. Como consecuencia, ya se dispone de materiales que cumplen estas Directivas sin por ello comprometer su rendimiento. Por supuesto, igualmente se han realizado inversiones para que nuestras instalaciones productivas cumplan dicha legislación.

A continuación hablaremos de algunos de estos productos, los cuales se caracterizan porque todos ellos son de bajo contenido en volátiles.

1.Supershield

1.1 Características generales

La principal característica de esta serie de productos consiste en estar formulados con un menor contenido de estireno, sin por ello perjudicar a las propiedades del producto final.

Esta serie de gel-coats se caracterizan por presentar una buena estabilidad a la luz, intemperie y agentes químicos, por lo que representan una buena alternativa a los gel coats convencionales cuando se requiera un producto con baja emisión de volátiles.

1.2 Medida de las emisiones de estireno en producción

A fin de valorar la reducción de emisiones que puede conseguirse con estos productos, se ha realizado un estudio comparativo frente a un gel coat de calidad convencional.

Existen diversos procedimientos para la determinación de las emisiones de compuestos volátiles en muestras de aire. En este estudio se emplean los dos métodos más habituales:

Una bomba recoge una muestra de aire. El estireno es absorbido en un lecho de carbón activo que es analizado por cromatografía de gases.
Medida instantánea con un sistema fijo Miran-1 b.
El contenido en estireno es analizado por espectroscopia de infrarrojos.

1.2.1 Condiciones de ensayo
Dispositivos de medida:

Dos dispositivos de medida portátiles manejados por dos personas.
Tres dispositivos de medida fijos:

Situado en medio del lugar de trabajo a 0.75 m del suelo.
Situado a nivel del molde y a una distancia de 1.5 m de éste.
Situado en el tubo de extracción bajo el techo.

1.2.2 Tipos de dispositivo empleados:

Bomba para la toma de muestras de aire: Gilian tipo Gilair-3 de flujo constante. Lecho de absorción de muestras: 150 mg de carbón activo SKC tipo 226.01. Flujo: 100 ml/min. Duración del ensayo: 60 – 100 minutos.
Análisis infrarrojo: Foxboro Miran-1b.

1.2.3 Detalles del ensayo:

Treinta muestras fueron tomadas en total sobre lechos de carbón activo e inmediatamente analizado el contenido en estireno por cromatografía de gases. Otras cincuenta medidas fueron realizadas en un área de 15 metros alrededor de los moldes.

1.2.4 Resultados

Resultados de la cromatografía de gases:

1.3 Características físicas sin polimerizar

1.4 Propiedades del material polimerizado (Datos orientativos)

Los últimos gel coats Low-VOC desarrollados, basados en una avanzada resina recientemente patentada por nuestra compañía, ofrecen propiedades no disponibles anteriormente:

Estireno: 107 mg/m3 (25 ppm) MAC-TGG 8 a 20ºC. Peso molecular del estireno: 104.16

Reducción del 50% en emisiones de estireno
No se trata simplemente de una reformulación con menos disolvente y viscosidades más elevadas; estos gel coats reducen las emisiones de estireno a la mitad, mejorando así la seguridad del personal y ayudando a cumplir con la más estricta legislación. El mayor rendimiento permite obtener grandes reducciones en el tiempo de aplicación y en la cantidad de gel coat necesaria.
Hasta 60% menor contracción
Se consiguen contracciones 30 - 60 % inferiores a las de los gel coats basados en resinas convencionales. De este modo se eliminan los problemas de autodesmoldeo.
Menores pérdidas de material
El abanico es más fácil de controlar, produciendo menores pérdidas de material y mayor afinidad a la superficie del molde, manteniendo al mismo tiempo la viscosidad habitual.
100 a 217 % mayor brillo y estabilidad del color
Tras 1.000 horas de Xenon arc weatherometer, los gel coats SuperShield de Low-VOC mantienen el 80 – 95% del brillo original (comparado con 30 – 40% en los gelcoats convencionales) mostrando también una mayor estabilidad del color y mejor resistencia al amarilleamiento.

Como puede verse, al haberse formulado estos gel coats con un menor contenido en estireno, se reducen las emisiones durante la aplicación (hasta un 50% menos), procurando un ambiente de trabajo más saludable, mejorando el rendimiento con una menor pérdida de producto (por término medio un 15%, valor que estará en función de la aplicación y formulación empleada), reduciendo las contracciones durante el curado, disminuyendo el peligro de autodesmoldeo, y todo ello manteniendo las mismas propiedades mecánicas y químicas del producto convencional.

Estos gel coats se caracterizan también por proporcionar una mayor retención del brillo y color tras la exposición a la intemperie, en comparación con los gel coats que contienen pigmentos y aditivos convencionales. Las aplicaciones típicas son en náutica, sanitarios, vehículos recreativos y otras aplicaciones en molde abierto.

Estos productos pueden suministrarse en las tres viscosidades características, brocha (viscosidad normal), rodillo (viscosidad media) y equipo (baja viscosidad).

Con el fin de ser fieles al criterio de baja emisión de volátiles es aconsejable laminar también con una resina de bajo contenido en estireno.

2. Gel-Coat de poliéster insaturado compatible con resinas Epoxi

Dentro de los composites termoestables, los que más han crecido en estos últimos años han sido los epoxi (sobre todo para fabricación de palas eólicas). El gran crecimiento comienza en España el año 2000 cuando los fabricantes, con tecnología procedente del Reino Unido y Dinamarca deciden apostar por este material para sus palas de grandes dimensiones.

Los composites epoxi, por su resistencia química, mecánica y dimensional, así como el no emitir vapores de monómero durante su fabricación, son materiales muy interesantes para piezas de grandes dimensiones y altas prestaciones, así como por permitir trabajar en una atmósfera sana.

2.1 Situación medioambiental actual.

La avanzada conciencia medioambiental actual, tanto por parte de particulares como de organismos públicos, lleva a la búsqueda y desarrollo de materiales y procesos de aplicación menos contaminantes que los poliésteres en el mercado de los composites. Una de las tendencias es el empleo de resinas epoxi en el refuerzo o laminado, material que además de sus excelentes propiedades mecánicas, muestra una baja emisión de disolventes volátiles durante su procesado.

Los laminados en base resinas epoxi pueden venir recubiertos por un gel coat formulado con el mismo tipo de resinas. Estas resinas plantean, en general, problemas de estabilidad y, principalmente, de aplicación. Como alternativa a éstos gel coats tenemos gel coats de poliéster, los cuales han de tener buena adherencia al laminado, tal y como ofrecen los nuevos gel coats especiales de nuestra compañía. En general los gel-coats de poliéster presentan mejor estabilidad a la luz UV y unos tiempos de aplicación más cortos que los gel coats en base epoxi; ello les lleva a ser una buena alternativa. Recientemente hemos desarrollado igualmente versiones con bajo contenido en estireno

2.2 Usos de piezas con laminado epoxi.

En la actualidad son varios los sectores que hacen uso de las resinas epoxi en los refuerzos por sus características. Entre otros tenemos: la industria automovilística, náutica, molinos de viento, la industria aerospacial y piezas industriales.

2.3 Comparación entre un gel-coat de poliéster y un gel-coat en base epoxi.

Las diferencias básicas que podemos encontrar entre los dos tipos de productos son:

2.4 Principales características del nuevo gel coat de poliéster para laminado epoxi.

El gel coat de poliéster para recubrimientos en base epoxi está formulado para ofrecer muy buena adherencia y compatibilidad con el laminado. Se presenta en una gran variedad de colores, preparados en base a pigmentos y resinas capaces de conferirle muy buena estabilidad a la luz U.V. Su curado es rápido y excelente, pudiendo tenerse un perfecto curado en 40 minutos, dejando el material listo para el estratificado. Como todo buen poliéster, reproduce fielmente los detalles y brillo del molde. El producto final presenta buena flexibilidad, con un alto valor de alargamiento a la rotura; no obstante su dureza Barcol final es de 35-45. Su absorción de agua es baja, menor que la del epoxi, lo cual lo hace apto para su uso en el sector de la náutica.

A continuación se detallan los datos más representativos del gel coat :

2.5 Modo de aplicación.

El material se podrá aplicar, bien mediante rodillo o brocha (aplicación manual), o bien mediante equipo de proyección, pudiéndose emplear en procesos completamente manuales u otros, más mecanizados, tales como RTM, prensa en caliente, etc.

Una vez aplicado el material sobre el molde, teniendo presente que se recomienda aplicar una capa con un espesor que debe estar entre 400 y 500 micras en húmedo, se deja curar a temperatura ambiente durante unos 20 minutos aproximadamente. Se recomienda continuar el curado a 40ºC durante otros 30 minutos. Una vez finalizada esta parte del proceso se saca la pieza de estufa y se deja enfriar a temperatura ambiente.

Se prepara la resina o “prepreg” epoxi con la que se va a proceder al estratificado y se lamina siguiendo las recomendaciones del fabricante. Finalmente, se cura la pieza según se indique, por ejemplo 2 horas a 70ºC.

3. Gel Coat de poliéster para laminados termoplásticos

Algunos estudios realizados recientemente indican que, incluso sin considerar cuestiones medioambientales, los termoplásticos reforzados poseen ciertas ventajas sobre el uso de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GRP). La abrasión y resistencia al impacto de los termoplásticos reforzados es superior y las piezas son más ligeras, debido a su menor densidad. Los termoplásticos reforzados no absorben agua y no sufren de ósmosis. Pueden obtenerse piezas con excelente resistencia al fuego y, en muchos casos, los costes de producción son inferiores. El proceso de fabricación no emplea ningún tipo de resina líquida, aceleradores o catalizadores, eliminando la exposición del personal a compuestos VOC y reduciendo los riesgos de incendio. Por otra parte, las piezas de termoplástico reforzado son más fáciles de reciclar.

3.1 ¿Qué son los laminados de termoplásticos reforzados?

El principal material disponible actualmente en el mercado es un refuerzo consistente en una mezcla de fibra de vidrio, del tipo E-glass, y de polipropileno (PP). Se trata de un conjunto de fácil aplicabilidad y con resultados, como refuerzo, excelentes.

Da por si mismo una estructura de refuerzo sin necesidad de empleo de resinas, lo cual le confiere unas características medioambientales que no poseen las resinas típicas empleadas en los composites. Este producto es fácilmente convertible en composite sin más que calentar el material por encima del punto de fusión del PP: 180-230ºC.

Las principales características que aportan este tipo de refuerzos son: rápida consolidación, baja presión de moldeo, buen revestido y cubrición del gel-coat y formas del molde, apto para aplicaciones industriales y

3.2 Usos de piezas con laminados termoplásticos reforzados.

Varios son los sectores a los cuales, por sus características, se puede destinar el uso de piezas de composite realizadas con un gel coat y un refuerzo. Entre otros tenemos: industria automovilística, náutica, industria del ferrocarril y metro, industria aerospacial, piezas industriales generales.

3.3 Comparación entre un laminado de poliéster estándar y un laminado de termoplástico reforzado

Entre las principales diferencias que podemos encontrar al comparar estos dos tipos delaminado, el producido con termoplástico reforzado presenta las siguientes características: mejores propiedades mecánicas, mejor resistencia química (mejorable en el segundo caso cuando se empleen resinas del tipo viniléster u otras) y menor absorción de agua, cero emisión de volátiles (mejorable en el caso del poliéster cuando se empleen, resinas del tipo de baja emisión) y mejor respuesta en el ensayo al impacto.

3.4 Principales características de nuestro gel coat de poliéster

El gel coat de poliéster líquido para laminados con el tejido de termoplástico reforzado está formulado especialmente para ofrecer muy buena adherencia y compatibilidad con el laminado, a la vez que cumplir una función protectora y decorativa de éste. Este gel coat se halla también disponible en versión de baja emisión de VOC’s.

No precisa del empleo de imprimaciones, ya que el propio tejido lleva incorporado un film termofusible (del tipo hot melt) que hace que la adherencia entre los dos substratos sea buena.

Se trata de un producto de muy buena flexibilidad, compatible con los valores del laminado.

También presenta muy buena resistencia a los rayos UV. El producto se puede suministrar en un amplia gama de colores, según se requiera para la pieza final.

3.5 Modo de aplicación de un gel coat líquido para el laminado termoplástico

El gel coat líquido se podrá aplicar, bien mediante rodillo o brocha (aplicación manual), o bien mediante equipo de proyección, pudiéndose emplear tanto en procesos manuales como en otros tales como RTM, prensa en caliente, pultrusión, etc.

El espesor que se recomienda aplicar de gel coat debe estar entre 400 y 500 micras. Una vez finalizada la aplicación del material se cura a una temperatura de 80ºC durante unos 3 a 5 minutos, aproximadamente. A continuación se empieza a cubrir el gel coat con el tejido del laminado, para posteriormente proceder con el “curado” de éste a una temperatura comprendida entre los 180 y 230ºC.

Dentro de los composites termoestables, los que más han crecido en estos últimos años han sido los epoxi, sobre todo para fabricación de palas eólicas

4. Conclusiones

Actualmente no existen alternativas viables a corto plazo que eliminen por completo las emisiones de Compuestos Orgánicos Volátiles y que no requieran de profundos cambios en las instalaciones y procesos productivos. En la mayoría de los casos, las acciones a tomar consisten en combinar del modo más adecuado posible las distintas tecnologías disponibles.

Los gel coats de bajo contenido y baja emisión forman una parte importante del conjunto de herramientas que pueden emplearse para cumplir con las cada vez más estrictas directivas y legislaciones en materia de emisiones al medio ambiente.

Trabajo presentado en las 17 Jornadas de Materiales Compuestos organizadas por el Centro Español de Plásticos