Coches más ligeros y limpios

Desde hace décadas, los plásticos han ocupado un importante lugar dentro de los materiales técnicos. Difícilmente un producto tecnológico actual puede ser producido completamente sin compuestos plásticos basados en poliamida o polipropileno. Esto es sobre todo aplicable a la fabricación en serie en la industria del automóvil, donde altos requisitos y piezas extremadamente complejas están acelerando la tendencia a la utilización de plásticos de ingeniería.

Los coches siguen siendo los bienes de consumo con mayor demanda en países desarrollados. En 2010/2011 la producción de coches familiares aumentó un 4,5%. En el mercado alemán dirigido a la exportación, esta tendencia alcista llego al 5,8% (desde 5,6 millones hasta rozar los 5,9 millones de vehículos). Teniendo en cuenta el enorme potencial de crecimiento en los países emergentes como China, India, Rusia o Brasil, las serias consecuencias ecológicas de esta tendencia son claras. El incremento de materiales y energía requeridos para producir este creciente número de vehículos, junto con las emisiones asociadas, aumentarán el deterioro del medio ambiente global.

Legisladores de todo el mundo están reaccionando con guías y restricciones para obligar a los fabricantes de automóviles a desarrollar vehículos con menos consumo de combustible y menos emisiones. Esto no sólo ocurre en EE UU o Japón si no también especialmente en la Unión Europea (UE). Aquí las emisiones de CO₂ de coches familiares nuevos y vehículos comerciales hasta 3,5 toneladas están sujetos a cumplir unos límites obligatorios (ver la importante Normativa UE (2)). Estos límites se irán reduciendo más aún en los próximos años y los fabricantes que no los cumplan se arriesgan a severas multas económicas.

En cifras específicas, en la UE a partir de 2012 la media de emisiones de CO₂ de la flota de nuevos vehículos familiares no pueden exceder los 130 g/km. Estos requisitos serán progresivos, de manera que en 2012 una media del 65% de los nuevos coches deben cumplir con este límite, aumentando al 75% en 2013, al 80% en 2014 y al 100% desde el 2015. Inicialmente las multas serán graduales, pero ya en 2019 los fabricantes que superen los límites específicos de emisión tendrán que pagar 95 euros por cada gramo de CO₂/km de exceso por nuevo vehículo. Se puede ver esta información con más detalle en figura 1.

A la vista de que ‘peso ligero = menos consumo de potencia = reducción de emisiones = descenso del calentamiento global’, la necesidad de materiales con menos densidad y peso más ligero en la industria del automóvil será incluso mayor que hoy en día. Ha quedado claro que la simple sustitución de metales por plásticos no es suficiente por sí misma. Se pueden mejorar los resultados intercambiando polímeros (figura 2) o con nuevos compuestos. En este proceso hay una competencia continua, sustituyendo unos plásticos por otros basándose en ventajas de densidad, ahorro de costes y disponibilidad.

Hasta ahora los compuestos de poliamida han dominado las aplicaciones bajo el capó, que se caracterizan por unos altos requisitos mecánicos y térmicos. Pero en los últimos años el número de proveedores de PA ha disminuido y desde hace tiempo los ‘compounders’ han estado desarrollando e introduciendo compuestos de PP como alternativa para este sector, utilizando los aditivos y refuerzos adecuados. Esto se debe a que la situación con el PP es totalmente diferente. Hay muchos productores de PP en el mundo y la provisión de materia prima no es problemática, no como ocurre con la PA. Esta es una ventaja estratégica considerable y conlleva generalmente una alta predisposición a utilizar PP.

De todas formas, la ventaja clave del PP que justifica su uso como sustituto de PA, es su peso y su precio. La menor densidad de este material permite una reducción del 15 hasta el 20% del peso final de los componentes. Esto tiene como consecuencia final un efecto favorable en el peso total del vehículo y en los valores de emisiones de CO₂. El precio de compra de PP es bastante menor que de PA y por lo tanto el ofrece un considerable potencial de reducción de costes. Para llegar a sustituir PA por PP, las desventajas inherentes del PP frente a PA (en términos de rigidez, dureza y tenacidad) deben ser superadas formulando compuestos de PP con modificaciones específicas.

Frente a lo expuesto, y después de 15 meses de desarrollo, el grupo Albis ha lanzado un compuesto apropiado bajo la denominación Altech NXT PP. Con sus excelentes propiedades mecánicas, este innovador compuesto es similar a productos de PA con 30% de fibra de vidrio (su limitación, como se explicará más adelante, es debida a la temperatura máxima de uso). El nuevo Altech NXT PP es apropiado para la sustitución de PA y estrecha la distancia entre plásticos comunes y de ingeniería. Para la industria del automóvil en particular, se abren grandes posibilidades a la vista de la reducción de peso de hasta el 20% conseguida en comparación con la PA y su menor precio.

Pero, este compuesto ¿cómo es de apropiado en valores específicos? Para dar respuesta en detalle a esta pregunta laboratorios acreditados, como UL Termoplásticas Testing Center en Alemania, han llevado a cabo pruebas completas. Los resultados muestran que, basado en su módulo elástico, el nuevo producto de PP (figura 3) tiene mucha más rigidez que un PP convencional en un amplio rango de temperaturas. De hecho, Altech NXT PP tiene un nivel similar a Altech PA6 GF30. No es hasta alcanzar temperaturas de 120 ºC cuando los compuestos de PA tienen una clara ventaja en cuanto a propiedades mecánicas ‘creep’ (fluencia lenta).

En la Tabla1 se muestra una comparativa de otras importantes propiedades frente a los diferentes materiales susceptibles de sustitución. Cuando se compara con PP reforzado con fibra de vidrio, lo que destaca del Altech NXT PP, además de su claramente superior valor de módulo elástico dependiente de la temperatura, su relativamente alto valor de HDT A, 154 ºC. También cabe señalar que el nuevo compuesto tiene una alta resistencia al envejecimiento por calor para ser un PP. Después de un envejecimiento por calor de 1.000 h a 150 ºC no se observan cambios significativos en sus propiedades mecánicas. Además, Altech NXT PP tiene el mismo rango de resistencia a la tracción, elongación a rotura y resistencia a flexión a temperatura ambiente que Altech PA6 GF30 y PP LGF30, mientras que sorprende sus excelentes resultados a impacto, con y sin entalla.

Otra consideración importante cuando evaluamos los diferentes materiales es que el nuevo compuesto, lo que es típico para un PP, no requiere de secado y tiene un procesado sencillo y esto es con una temperatura de proceso un 10% más bajo que para PA. Altech NXT PP también exhibe muy buenas propiedades de viscosidad cuando se prueba en un canal espiral de 2 milímetros de profundidad (940 mm). Durante una gran variedad de pruebas prácticas se han producido piezas con una precisión de replicado de molde y acabado superficial excelentes. Más interesante incluso es la contracción que presenta: tanto en ensayos (placas 60 x 60 x 2 mm, en base a DIN EN ISO 294-4) como en moldes diseñados para PA, el nuevo Altech NXT PP con 35% de fibra de vidrio muestra valores comparables a una Altech PA6 GF30. Por lo tanto, este nuevo material puede ser utilizado como solución alternativa sin necesidad de adaptación de los moldes de componentes fabricados en PA y sin el consiguiente gasto en coste y tiempo.

A pesar de todo, se debe constatar que Altech NXT PP no puede sustituir completamente polímeros basados en PA porque debido a la mayor resistencia al calor de PA hay componentes (> 120 ºC) en los que no hay alternativa en un futuro próximo. Sin embargo, los prometedores primeros resultados de las pruebas en aplicaciones llevadas a cabo por clientes han mostrado que el nuevo compuesto de PP es muy apropiado para aplicaciones bajo el capó como tapas, carcasas de ventilador, cajas de distribución y colectores de admisión. A la vez que se están realizado estas pruebas piloto iniciales, se están haciendo ensayos para determinar la idoneidad de este nuevo compuesto de PP para interior de habitáculo. Si los valores de emisiones que se obtengan están dentro de los límites permitidos, se abrirán nuevos campos de aplicación. Y estos no estarán sólo confinados en el sector de automoción. El nuevo compuesto de PP puede ofrecer considerables beneficios en la producción de dispositivos eléctricos grandes y pequeños (incluyendo herramientas eléctricas).

El nuevo material Altech NXT PP está mostrando ya un alto y prometedor potencial para el mercado de los plásticos de ingeniería. El amplio rango de propiedades que ofrece hará que el PP sea más atractivo para componentes estructurales. En la industria del automóvil en particular, este polipropileno está llamado a ser un material versátil para un amplio y diverso rango de aplicaciones.