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La producción de la nueva espuma PET está basada en un agente espumando ecológico y el material para núcleo final puede ser fácilmente reciclable

La nueva espuma PET para aplicaciones de núcleos

Markus Wanner y Danilo Lazzeri.
Alcan Composites - Alcan Airex AG
27/11/2007
La cuestion: ¿Cuáles son los materiales para núcleos mas comúnmente usados en los composites estructurales? Mucha gente contestaria que las espumas de PVC (“cross-linked”), la madera de balsa o en casos especiales, diferentes tipos de panal de abejas. Todos estos bien conocidos materiales para núcleos han soportado fuertemente el enorme crecimiento en la industria de los composites en las últimas decadas. En este artículo, Alcan Composites presenta la nueva espuma de polietilentereftalato (PET), el primer material para núcleo estructural que es producido en continuo.
Considerando el crecimiento realizado en los últimos 20 años y el estimado en la industria de las palas eólicas para los próximos 20 años (imagen 1), la demanda de materiales para núcleos es enorme. El siguiente mercado más grande las aplicaciones en marina, ha crecido significativamente y hoy no hay señales de una ralentización en el consumo (imagen 2). Todo el volumen solicitado de materiales para núcleos en el futuro, esta creciendo fuertemente y es más que probable que los materiales para núcleos existentes no puedan alcanzar la demanda de este volumen. El hueco que surge en el volumen, será cubierto por las nuevas espumas estructurales. Ellas también asumen los requerimientos técnicos futuros como el fácil procesado, la estabilidad química y térmica, la reciclabilidad y la ecología.
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Evolución estimada en la industria de las palas eólicas para los próximos 20 años
Fuente: BTM Consult Aps.Septiembre 2005
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Crecimiento medio anual del mercado marino en dólares 1999-2004
Imagen 2
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Imagen 3
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Resistencia a la compresión de la nueva espuma de PET
Imagen 4
Alcan Composites, como una de las empresas lideres en el mundo de materiales para núcleos, presentó ya en la JEC 2005 la ultima innovación, la nueva espuma de polietilentereftalato (PET). Esta nueva espuma es el primer material para núcleo estructural que es producido en continuo. El proceso de producción confiere al material para núcleo de un alto nivel de calidad, una baja desviación de los estándares y un alto volumen de producción. Con la elección de los polímeros PET, los futuros requisitos de propiedades mecánicas, químicas y térmicas, así como asuntos medioambientales, estarán bien dirigidos. La producción de la nueva espuma PET esta basada en un agente espumando ecológico y el material para núcleo final puede ser fácilmente reciclable. La combinación única de las características de la nueva espuma, hace de este producto la conclusión ideal del rango de productos de Alcan Composites de materiales para núcleos para aplicaciones versátiles en marina, palas eólicas, automóviles y trenes (imagen 3).

Mirando con mas detalle dentro de las diferentes características de la nueva espuma PET, son encontradas algunas comparaciones existentes con la espuma de PVC. La resistencia a la compresión de los materiales para núcleos es importante en casi todas las aplicaciones con tecnología sándwich. Si los composites están diseñados para áreas con cargas pesadas, como autobuses, suelos para vagones de trenes, partes internas y externas de cubiertas o las popas de los barcos, la nueva espuma PET puede competir con muchos materiales existentes. El patrón en la resistencia a la compresión esta establecido por las espumas de PVC. La espuma PET alcanza similar resistencia a la compresión comparada con la espuma de PVC con incremento de densidad (imagen 4). El comportamiento a la fatiga es otro parámetro importante de los materiales para núcleo en aplicaciones para suelos. Comparando la espuma de PVC con densidad 80 kg/m3 y la nueva espuma con 150 kg/m3 el “maximum static shear strength” es extraordinariamente diferente. El ensayo “dinámico de curvatura de 4 puntos” con ambos materiales para núcleos muestra el alto nivel de fatiga extremadamente bueno de la espuma PET con el 80% del máximo “static shear load”. La espuma PET con 150 kg/m3 es resistente hasta un millón de ciclos sin ningún fallo. La espuma de PVC comienza con un alto nivel pero pierde el “maximum static shear strength” en función del numero de ciclos (imagen 5). El impresionante comportamiento que muestra la nueva espuma PET en el ensayo de curvado en 4 puntos es muy buena. El potencial del nuevo material para núcleos para estructuras sándwich para suelos es muy buena.

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Nueva espuma de PET frente al X-PVC en diagrama mini Woehler
Imagen 5
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Test de resiliencia en ciclo húmedo y seco
Imagen 6
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Imagen 7
Las aplicaciones de los materiales para núcleos en marina, transporte y sándwich estructural para trenes, no solo requieren altas propiedades mecánicas. Es tan bueno como importante que los materiales para núcleos tengan una alta resistencia contra el agua y una absorción baja de humedad. Hoy, en muchas aplicaciones, la madera chapada es todavía muy popular. La mayor preocupación con la madera es el tema de la absorción de agua que puede conducir a pudrirse y reducir la resistencia a la compresión, especialmente en puntos donde las conexiones están fijado con tornillos a la estructura sándwich. La nueva espuma PET puede ser la nueva solución a esos puntos. Debido a la alta calidad química de las materias primas de la espuma PET, la espuma no absorbe agua y si el material para núcleo recibe humedad causada debido al daño en las capas, la espuma PET no se pudrirá en absoluto. El hecho que el nuevo material proporciona una alta resistencia a las reducciones de las propiedades de compresión puede ser ofrecer más oportunidades para aplicaciones en áreas donde el agua puede estar en contacto con el material para núcleo. Después de 10 días en ciclos secos y húmedos, atornillamos un panel sándwich hecho con la nueva espuma PET otro hecho con madera chapada (para aplicaciones náuticas) y se han testada la carga de compresión y resistencia a “creep”. La nueva espuma PET como material para núcleos no le afecta casi el agua. Queda altamente estable contra la compresión y muestra pocas reducciones en propiedades (imagen 6). La alta estabilidad de la nueva espuma en condiciones de humedad hace que la nueva espuma estructural sea ideal para aplicaciones en la popa de los barcos.

En algunos casos, especialmente en marina, transporte y aplicaciones ferroviarias, los accesorios necesitan estar colocados en el centro de la estructura sándwich. El uso de madera chapada tiene a menudo el riesgo de pudrirse por causa del ingreso del agua, las espumas de poliuretano muestras una baja resistencia en su superficie y un sencillo laminado añade peso a la estructura. En el nuevo rango de la nueva espuma PET hay densidades hasta los 320 kg/m3 para un refuerzo local y en todas las aplicaciones, las espumas con altas densidades son ideales. La alta densidad que la espuma proporciona, asegura la fijación de los tornillos sin comprometer la estructura del sándwich en estabilidad o en “peel strength”. El llamado “screw pull-out strength”, medido con la nueva espuma PET como material para núcleo, muestra el más alto “pull-out load” comparado con la madera chapada o la espuma de poliuretano de alta densidad (imagen 7).

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Comportamiento de la temperatura de los materiales del núcleo
Imagen 8
Las interesantes características mecánicas son solamente una parte de las ventajas de la nueva espuma estructural PET. La espuma PET termoplástico, exhibe también una alta estabilidad térmica y química. La resistencia química conduce a una alta resistencia al estireno, resinas con un alto contenido en estireno no afectan a este material. Por lo tanto el núcleo permite el uso de cualquier resina de poliéster insaturado, Epoxy, vinilester o termoplástico.

Durante la elaboración y el postcurado, la temperatura puede ir hasta los 120º C o mas alto aun por algún tiempo. Ciertamente, los materiales para núcleos exhiben a este rango de temperaturas, post expansión, emanación de gases o incluso colapso. La nueva espuma PET es utilizable sin problemas en procesos hasta 150ºC. Si el proceso esta utilizando alta presión, como curando con “autoclave”, la temperatura máxima del proceso es reducida hasta los 120ºC.

La alta estabilidad térmica es también vista en el nivel de la temperatura de servicio. La máxima temperatura que resiste la nueva espuma PET es 100ºC y significativamente más alta comparada con otros materiales para núcleos. Esto no significa la degradación de las propiedades mecánicas no ocurran. El punto importante con la espuma PET es el hecho que el ratio de degradaciones es significativamente más bajo, por ejemplo, el modulo de compresión es reducido solamente un 20% a 70º C comparado con 50% y más con otros materiales para núcleos (imagen 8). La alta estabilidad térmica del producto lo hace ideal como material para núcleos en aplicaciones marinas como cubiertas o superestructuras, especialmente si un color oscuro es usado.

Una característica de la espuma PET que no es tan importante para el sector marino o en las aplicaciones para palas eólicas pero que si es muy interesante para estructuras sándwich en transporte y trenes es la resistencia al fuego. En general el transporte publico requiere el más alto nivel de resistencia al fuego. De acuerdo con la estándar FAR 25853, DIN 5510, NFP 92.501 / NFF 16.101 y la nueva llegada de la EN 45545, inflamabilidad, densidad del humo, liberación de calor y la limpieza en la toxicidad del humo son importantes. Los nuevos requisitos para eliminar gases tóxicos como cloruro de hidrogeno u otros halógenos harán el uso de las espumas de PVC muy difícil en el futuro. El incremento de los requisitos de la norma EN 45545 demanda el uso de materiales para núcleos con altas prestaciones, por ejemplo PEI o espumas PES, con el impacto negativo de un coste mucho más alto para los materiales para núcleos. La nueva alternativa para materiales para núcleos con altas prestaciones es la nueva espuma PET. La espuma PET proporciona un alto grado de resistencia al fuego y pasa DIN 5510 (S4/SR2/ST2) así como lo solicitado NFP 92.501 y NFF 16.101 (con M2 y F1 respectivamente). También pasa más requisitos del rigurosos estándar aeronáutico FAR 25853 (imagen 9). La única combinación de un alto grado de resistencia al fuego, mejor resistencia a la fatiga, buena estabilidad mecánica y alta estabilidad térmica, hacen de este producto la nueva espuma PET ideal para sándwich estructurales para suelos, laterales y paredes de separación.

El amplio nivel de características de la nueva espuma PET abre una variedad de posibles soluciones con el nuevo material para núcleos (imagen 10). Las aplicaciones marinas como popas, cubiertas, superestructuras e interiores pueden tomar ventaja de los altos valores mecánicos, la mejor resistencia a la fatiga y una alta estabilidad térmica. La industria de las palas eólicas, con su enorme crecimiento, puede combinar los núcleos existentes con la nueva espuma PET para usarlo donde el núcleo ofrezca las mejores prestaciones.

La combinación de los materiales para núcleos, espuma de PET, espuma de PVC y madera de balsa, incrementa la disponibilidad y la posibilidad de usar los materiales para núcleos. En el sector transporte y aplicaciones para trenes, la nueva espuma PET puede empujar el uso de materiales para núcleos porque el alto grado de resistencia al fuego, la alta resistencia a la fatiga, las propiedades mecánicas y competitivo nivel de precio.


Este artículo está basado en un trabajo presentado en las 18ªs. Jornadas de Materiales Compuestos / Plásticos Reforzados, organizadas por el Centro Español de Plásticos

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