Life Seed Capital pretende, entre otros objetivos, la producción de aceite de colza en una cooperativa de agricultores y su uso como carburante en maquinaria agrícola

El proyecto Life Seedcapital está cofinanciado por el programa Life+ de la Comisión Europea que apoya proyectos demostrativos en el ámbito del desarrollo y la aplicación de la política y el derecho en materia medioambiental.

Life Seedcapital estudia el uso integral de la colza para la disminución de las emisiones de gases con efecto invernadero en la actividad agraria. El proyecto se basa en que:

• El cultivo de colza aumenta la productividad del cereal en rotación y mejora la estructura del suelo
• La torta de colza puede utilizarse en alimentación de rumiantes para disminuir las emisiones de metano
• El aceite de colza, mezclado con diésel, puede utilizarse como biocombustible en maquinaria agrícola

Life Seed Capital pretende, entre otros objetivos, la producción de aceite de colza en una cooperativa de agricultores y su uso como carburante en maquinaria agrícola.

La naturaleza química del aceite vegetal (triglicérido) es diferente a la de los combustibles fósiles convencionales (hidrocarburo) y, por tanto, su interacción con los materiales puede ser diferente.

En el transcurso del proyecto, se emplean mezclas de aceite de colza-gasóleo como combustible en diferente maquinaria agrícola (tractores, bombas de riego...). En principio, los tractores son los que presentan un sistema de combustible más complejo y con mayor variedad de materiales y, por tanto, en este trabajo se ha estudiado la compatibilidad de los materiales del sistema de combustible de un tractor con el combustible aceite de colza-gasóleo.

En este trabajo se ha estudiado como afecta el combustible aceite vegetal/gasóleo a los materiales con los que entra en contacto durante el funcionamiento normal de un tractor.

En primer lugar, se ha seleccionado un modelo de tractor representativo y se han estudiado e identificado los materiales poliméricos que entran en contacto con el combustible.

A continuación, se han caracterizado las propiedades de los materiales seleccionados y se han introducido en mezclas aceite de colza-gasoil a una temperatura de 40 °C durante 2.000 horas.

Finalmente, se ha estudiado la evolución de las propiedades de los materiales poliméricos caracterizándolos tras 1000 y 2000 horas de ensayo.

3.1. Selección modelo de tractor

Se ha seleccionado el modelo 6820 de John Deere (JD 6820), que incorpora sistema de inyección con rampa “Common-rail”, es uno de los modelos más vendidos de los últimos tiempos y además es uno de los tractores empleados por agricultores que participan en el proyecto.

A continuación, se ha estudiado con detalle su sistema de combustible para seleccionar y analizar los diferentes componentes que se hallan en contacto con el combustible desde la entrada en depósito, hasta alcanzar la cámara de combustión. El objetivo ha sido identificar todos los materiales que entran en contacto con el combustible.

3.2. Selección de materiales

Tras el análisis de los componentes poliméricos (termoplásticos y elastómeros) del sistema de combustible, se han identificado y seleccionado los siguientes materiales presentes en la composición de las piezas para continuar con el estudio de compatibilidad:

• Resina acetálica copolímero (POM). Aparece en piezas que están en contacto con el combustible, por ejemplo, en el tapón del tanque de combustible y en la cabeza de filtro. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado probetas inyectadas a partir de granza.

• Polietileno. Aparece en piezas que están en contacto con el combustible, por ejemplo, en el tanque de combustible. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado probetas mecanizadas a partir del tanque de combustible.

• Poliamida 11 y 12. Aparece en varias piezas que están en contacto con el combustible, por ejemplo, el tubo del aforador de combustible. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado probetas troqueladas a partir del tubo del aforador.

• Poliamida 6 + 30% GB. Aparece en piezas que están en contacto con el combustible, por ejemplo, el tapón del tanque de combustible. Se ha seleccionado el material con cargas porque es más susceptible de ser atacado por el combustible debido a los poros que aparecen en su estructura. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado probetas inyectadas a partir de granza.

• Poliamida 6,6 + 30% FV/GB. Es el material que más aparece en piezas que están en contacto con el combustible, por ejemplo, aforador de combustible y en los filtros de combustible. Se ha seleccionado el material con cargas porque es más susceptible de ser atacado por el combustible debido a los poros que aparecen en su estructura. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado probetas inyectadas a partir de granza.

• Caucho acrilonitrilo-butadieno (NBR). Es un material muy habitual en las juntas del sistema de combustible y aparece en numerosos componentes que están en contacto con el combustible. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado juntas enteras y probetas obtenidas de la manguera de gasoil que está reforzada con tejido por su parte exterior.

• Caucho fluorocarbonado (FKM). Es un material muy habitual en las juntas del sistema de combustible y aparece en numerosos componentes que están en contacto con el combustible. Para determinar su compatibilidad, se han ensayado juntas del inyector.

3.3. Descripción de metodología

Los materiales utilizados en la producción de piezas para los sistemas de combustibles tienen que cumplir una serie de requisitos que pueden resumirse en que tienen que funcionar correctamente y no degradarse en un plazo de tiempo superior a diez años en presencia de productos agresivos como son el gasóleo, gasolinas y biocombustibles (estos últimos desarrollados en los últimos años).

El objetivo de este trabajo ha sido determinar el efecto degradativo producido por la acción de diferentes mezclas aceite-gasóleo sobre los materiales poliméricos destinados al contacto con combustibles en automoción y su comparación con el efecto producido por los combustibles convencionales, en este caso gasóleo.

Se ha comprobado si el efecto del contacto del combustible propuesto en el proyecto LIFE Seed Capital (gasóleo-aceite de colza) es diferente al efecto producido por el combustible convencional (gasóleo). Para ello, se han realizado los siguientes ensayos:

3.3.1. Ensayo de compatibilidad

Se han introducido los diferentes materiales en botes de HDPE (material considerado inerte). Los botes se han rellenado con los combustibles de ensayo y se han almacenado en una estufa antiexplosiva a 40 °C para acelerar el posible efecto del combustible sobre los materiales. La duración total del ensayo ha sido de 2000 horas.

Se han empleado los siguientes combustibles:

• Gasóleo
• A10 (Gasóleo con 10% de aceite de colza)
• A30 (Gasóleo con 30% de aceite de colza)
• A50 (Gasóleo con 50% de aceite de colza)

La primera condición ha servido como testigo de una posible degradación de los materiales poliméricos en el uso convencional, degradación admitida por los fabricantes. Las otras tres mezclas de combustibles se han elegido en función del porcentaje de aceite recomendado en las diferentes épocas del año: en motores sin modificar, los estudios recomienda usar mezclas del 10% en invierno e inferiores al 50% en verano.

Los materiales poliméricos utilizados en la producción de piezas para los sistemas de combustibles deben ser estables dimensionalmente, mantener sus propiedades mecánicas de forma que soporten cargas físicas y vibracionales y evitar micropérdidas de combustible a través de pequeñas fisuras.

Para evaluar las propiedades de los materiales y su evolución a lo largo del almacenamiento en los combustibles, se han realizado los siguientes ensayos antes de comenzar, tras 1000 horas de ensayo y tras 2.000 horas de ensayo:

3.3.2. Ensayo de tracción

En el ensayo de tracción, las características del material se determinan aplicando una fuerza constante a velocidad elevada de forma que la tensión sea homogénea en el eje a lo largo de toda la sección. Los principales parámetros que se determinan son:

• Resistencia a la tracción en el punto de rotura (σr): Esfuerzo en tracción soportado en el momento de rotura de la probeta.

• Resistencia a la tracción (σM): Esfuerzo máximo en tracción soportado por la probeta durante el ensayo de tracción.

• Deformación (ε): Incremento de la longitud por unidad de la longitud inicial de referencia, como relación sin dimensiones o en porcentaje.

Los parámetros obtenidos en el ensayo de tracción proporcionan aspectos importantes de la resistencia y el alargamiento de los plásticos.

Los ensayos de tracción se han realizado en una máquina de tracción universal Zwick equipada con un extensómetro de contacto y mordazas de autoapriete. Los ensayos de los materiales termoplásticos se han realizado según norma UNE EN ISO 527 y los ensayos de elastómeros según norma UNE EN ISO 37.

Los materiales termoplásticos (Poliamida 6,6 + 30% FV, PA6+30% GB y POM) se han procesado por inyección y se han obtenido probetas del tipo 1A.

Las probetas de PE (tipo 1A) se han obtenido mediante fresado.

Las probetas de los materiales PA11 y manguito de caucho NBR se han troquedado en una prensa manual y se han obtenido probetas del tipo 3 según la norma ISO 37.

Las juntas de caucho NBR y FKM se han ensayado directamente.

3.3.3. Ensayo de impacto

El ensayo de impacto permite evaluar la fragilidad o tenacidad de los materiales en unas condiciones de ensayo definidas, utilizando probetas con o sin entalla. El impacto Charpy se realiza sobre 3 puntos, aplicando la fuerza en el punto central de la probeta. Se puede aplicar el impacto sobre la cara ancha o estrecha de la probeta. Los parámetros obtenidos en ensayos de impacto no son valores utilizables para cálculo o diseño de piezas, sin embargo, permiten diferenciar entre plásticos o condiciones en función de su distinta sensibilidad frente al impacto con o sin entalla. El ensayo consiste en golpear mediante una sola oscilación de un percutor una probeta colocada horizontalmente entre los apoyos. La línea de impacto está situada equidistante de los apoyos y se curva a una velocidad elevada y nominalmente constante. En el caso de impacto en probetas entalladas, la línea de impacto se encuentra sobre la cara opuesta a la entalla simple.

El ensayo se ha realizado con Péndulo de impacto CEAST 6963 siguiendo las indicaciones de la norma UNE EN ISO 179-1.

Los materiales termoplásticos (Poliamida 6,6 + 30% FV, PA6+30% GB y POM) se han procesado por inyección y se han obtenido probetas del tipo 1 (10 mm x 80 mm).

Las probetas del tipo 1 de PE se han obtenido mediante fresado.

En todos los caso, se han empleado probetas tipo 1 con entalla tipo A (probeta 1 eA).

No ha sido posible realizar el ensayo con los materiales PA11 y con los manguito de caucho NBR y juntas de caucho NBR y FKM porque los cauchos absorben la energía de impacto deformándose sin romperse y el tubo de combustible de PA11 presenta muy poco espesor para obtener probetas adecuadas para el ensayo.

3.3.4. Variación dimensional

El ensayo ha consistido en comparar las características iniciales de peso y volumen con las que presentan las mismas probetas tras 1000 y 2000 horas de ensayo en los diferentes combustibles. El porcentaje de variación dimensional se ha calculado utilizando los valores previos a la inmersión y los valores tras la inmersión. Para ello se ha utilizado una balanza de precisión (Metler AT261 Delta Range) y un equipo de determinación de densidad de sólidos.

El ensayo se ha realizado en todos los materiales plásticos (termoplásticos y elastómeros).

3.3.5. Dureza Shore

Se define como dureza Shore la resistencia contra la penetración de un cuerpo de forma determinada a fuerza de presión definida. La escala de dureza comprende un alcance desde 0 hasta 100, donde 0 corresponde a la menor dureza y 100 a la mayor.

La dureza Shore A se ha determinado en un equipo Bareiss U72/80E según las instrucciones de la norma UNE-EN ISO 868, con un tiempo de espera de 15 s. El ensayo se ha realizado en los cauchos: Juntas NBR, Manguito combustible de NBR y juntas de FKM. Las medidas se han obtenido directamente de las piezas.

Todos los ensayos han sido realizados en el laboratorio de materiales de Fundación Cetena-Cemitec (acreditado según UNE-EN ISO/IEC 17025 para ensayos según Anexo Técnico Nº 69/LE814).

Una vez se han ensayado las probetas de los diferentes materiales en los distintos intervalos de tiempo, se han representado los resultados obtenidos en las siguientes gráficas:

Tanque de combustible PE

El material PE se ha plastificado, se ha hinchado y está más flexible. Se observa un efecto diferente de los combustibles aceite de colza-gasóleo frente a gasóleo en los valores de deformación de fluencia, resistencia al impacto y variación de volumen. Las mayores desviaciones frente al valor original se producen con gasóleo siendo menor a mayor cantidad de aceite de colza contiene el combustible. Por tanto, el efecto observado sobre el PE debido al aceite de colza puede considerarse positivo.

Tubo de combustible Poliamida 11

El material se ha vuelto ligeramente más rígido (posible cristalización) en los cuatro combustibles. No se observa efecto significativo del aceite de colza sobre ninguno de los parámetros ensayados para Poliamida 11.

Poliamida 6,6 + 30% FV

El material se ha vuelto ligeramente más rígido (posible cristalización) en los cuatro combustibles. Al contacto con los combustibles con mayor contenido en aceite de colza, únicamente se observa un aumento muy pequeño de volumen del material PA66+30FV. No obstante, la variación es tan pequeña (<0,5%) que puede concluirse que no se observa efecto significativo del aceite de colza sobre ningún parámetro de los ensayados para PA6,6 + 30FV.

POM

El material se ha vuelto ligeramente más flexible (posible efecto plastificante) en los cuatro combustibles. No se observa efecto significativo del aceite de colza sobre ninguno de los parámetros ensayados para POM.

Poliamida 6+30% GB

En los cuatro combustibles ensayados, en las primeras 1000 h de ensayo se ha producido fragilización del material (posible cristalización o extracción de aditivos). Al continuar el ensayo, el material se ha hinchado y ha recuperado flexibilidad. Al contacto con los combustibles con mayor contenido en aceite de colza, únicamente se observa un aumento muy pequeño de volumen del material PA6+30% GB. No obstante, la variación es tan pequeña (<0,5%) que puede concluirse que no se observa efecto significativo del aceite de colza sobre ningún parámetro de los ensayados para PA6+30% GB.

Manguera de gasoil de NBR reforzada con tejido

Se ha observado una ligera pérdida de resistencia en el NBR similar en los cuatro combustibles. No se ha observado efecto significativo del aceite de colza sobre ninguno de los parámetros ensayados para NBR reforzado con tejido.

Juntas NBR

Los resultados obtenidos indican que el caucho NBR se hincha y reblandece en contacto con los cuatro combustibles siendo más acusada la variación con gasoil que con los combustibles mezcla aceite de colza-gasoil. Por tanto, se puede concluir que el efecto observado sobre el NBR debido al aceite de colza puede considerarse positivo.

Juntas de Caucho fluorocarbonado (FKM)

Se ha observado una ligera pérdida de resistencia, similar en los cuatro combustibles.

No se ha observado efecto significativo del aceite de colza frente al gasoil sobre ninguno de los parámetros ensayados para FKM.

Vistos los resultados obtenidos por CEMITEC, se puede concluir que las variaciones en las propiedades mecánicas y estabilidad dimensional que se han producido en los materiales poliméricos en contacto con distintas proporciones de aceite de colza-gasoil bien no son significativas o bien son asumibles por ser similares o menores a las sufridas por los mismos materiales en contacto con gasoil. Por tanto, los materiales ensayados pueden seguir siendo utilizados en la fabricación de piezas y componentes para el sistema de combustible de los tractores que van a funcionar con mezclas aceite vegetal-gasoil.

Como conclusión principal podemos destacar que los materiales poliméricos ensayados, en las condiciones de ensayo (2000h a 40 °C) presentan un buen comportamiento a lo largo del ensayo con gasoil, A10, A30 y A50 ya que no han sufrido un deterioro significativo de sus propiedades.

Este trabajo se ha llevado a cabo por Fundación Cetena-Cemitec dentro del proyecto LIFE Seed Capital cofinanciado por el programa LIFE+ de la Comisión Europea que apoya proyectos demostrativos en el ámbito del desarrollo y la aplicación de la política y el derecho en materia medioambiental. En el proyecto LIFE Seed Capital participan Neiker y Fundación Cetena.