Un composite termoplástico auto-reforzado para automoción y aplicaciones industriales

Redacción PU01/12/2002

Durante muchos años los plásticos se han utilizado en un amplio abanico de aplicaciones ya que son relativamente baratos y fáciles de transformar en piezas. Sin embargo los termoplásticos de gran consumo como por ejemplo el polipropileno, tienen relativamente bajas propiedades mecánicas y como consecuencia, su uso se limita a aplicaciones no estructurales donde solo tienen que soportar temperaturas bastante modestas. BP ofrece una nueva alternativa.

La manera habitual de mejorar el rendimiento mecánico de los polímeros es convertirlos en composites por medio del refuerzo de su matriz con fibras rígidas – habitualmente de vidrio. Cada vez mas los composites termoplásticos se han hecho muy habituales en muchas aplicaciones, especialmente en el sector de automoción, ya que ofrecen ventajas sobre componentes metálicos, por ejemplo menor peso y mayor resistencia a la corrosión. Sin embargo, los plásticos reforzados con fibra de vidrio a menudo son difíciles de termoconformar en piezas; también pueden ser todavía relativamente pesados, su resistencia al impacto y a la abrasión no pueden competir con la de los metales (sobre todo a temperaturas muy bajas), y las fibras de vidrio habitualmente son causa de mucha irritación en el lugar de trabajo.

Una estrategia alternativa al uso de vidrio u otros tipos de refuerzo como fibras naturales, se está aplicando en un nuevo material comercializado por BP bajo el nombre comercial de Curv. En un proceso que ya se ha patentado, fibras de PP de un alto modulo en tracción y flexión se compactan para crear una lamina de PP 100% auto-reforzado. Es termoconformable y retiene una alta proporción de las propiedades físicas de las fibras originales. El proceso principalmente consiste en fundir una pequeña proporción de la superficie de cada fibra o cinta; al enfriarse se solidifica (o se recristaliniza) para formar una matriz alrededor de las fibras. El proceso de BP es por lo tanto la manera de convertir las propiedades de fibras de alta orientación en un producto monolítico normalmente en forma de lamina.

Figura 1: El proceso de Curv “hot compaction”

Características de composites de PP auto-reforzados

Con una densidad de solo 0.9g/cm3, de entrada, el polipropileno auto-reforzado ofrece un ahorro del 20–30% en peso comparado con termoplásticos reforzados con fibra de vidrio como por ejemplo PP + 30%FV. Además, debido a que las fibras se entrelazan para hacer un tejido, la lamina de PP auto-reforzado aporta propiedades mecánicas uniformes por toda la pieza, que contrasta con los materiales que se componen de un refuerzo de vidrio random. Cuando se combina esto con el hecho de que el PP auto-reforzado se presenta en lamina, un material que no fluye dentro del molde, el grosor de las piezas se puede reducir a menudo en un 20– 30% cuando se comparan piezas moldeadas por medio de moldeo por compresión. En total se puede conseguir una reducción de hasta un 50% de peso de la pieza terminada.

En la industria del automóvil sobre todo, hay un gran interés en reducir peso, pero a su vez, mejorar la seguridad. Para ser eficaces, los materiales composites tienen que ser capaces de absorber cantidades importantes de energía en una situación de impacto sin que se rompan. En la mayoría de los casos esto se consigue por medio del refuerzo en base de capas de fibras que aumenta la resistencia al impacto y ayuda a evitar las roturas y fisuras. Sin embargo estos materiales no son fáciles de reciclar. La especial estructura interna de los termoplásticos auto-reforzados hace que las roturas y fisuras sean casi imposibles incluso a bajas temperaturas. La resistencia al impacto a temperatura ambiental comparada con la de GMT(30) es aproximadamente 6 veces mayor. Las pruebas realizadas a 40ºC bajo cero han demostrado que esta resistencia al impacto incluso se dobla, y así ofrece una mayor protección contra impactos externos bajo todo tipo de condiciones.

Una de las aplicaciones prometedoras se encuentra en los componentes bajo carrocería en el sector de automoción. La Figura 2 muestra los componentes bajo carrocería del actual Mercedes-Benz A Class. Hasta ahora, se han utilizado los composites GMT para esta aplicación.

Una de las características mecánicas más importantes para componentes bajo carrocería es la resistencia a la abrasión que se produce por los impactos de piedras pequeñas. Esto se puede medir por medio de un ensayo de abrasión en el cual piedras pequeñas de un tamaño determinado se disparan contra la superficie del material bajo prueba. La resistencia a la abrasión se mide por el tiempo que tarda en aparecer un agujero en el material de un grosor determinado. Típicamente el grosor de las piezas probadas varia entre 2.3 y 2.4mm.

En pruebas recientes realizadas por DaimlerChrysler1, el PP auto-reforzado ha sido comparado con materiales alternativos que incluyen dos tipos de termoplásticos reforzados con fibra de vidrio (GMT) y también termoplásticos reforzados con fibras naturales (NMT). Estos composites tienen la ventaja de que ya han sido ensayados y también están establecidos comercialmente en el mercado.

Los cuatro materiales probados fueron:-

• GMT convencional con 20% FV (GMT 20)

• GMT alternativo con 35% FV y además un tejido de PET

en la superficie (GMT 35)

• PP reforzado con fibras

naturales (NMT)

• PP auto-reforzado (CurvTM)

Como se puede observar en la figura 3, tomando GMT 20 convencional como norma, el material auto-reforzado ofrece la mayor resistencia contra la abrasión causada por gravilla. Incluso el material GMT reforzado con una carga mayor de fibra de vidrio, además de un tejido adicional de PET, no proporciona los valores conseguidos con Curv PP auto-reforzado. Esta alta resistencia a la abrasión hace que este nuevo material sea muy interesante para su uso en piezas bajo carrocería ya que brinda la oportunidad de moldear piezas de menor pared y por lo tanto facilita la reducción de peso del vehículo.

Figura 2: Bajo de la carrocería del Mercedes A-Class

(foto por cortesía de DaimlerChrysler)

Figura 3: Resultados del ensayo de abrasión producida por piedras de pequeño tamaño

Fabricación de piezas moldeadas

Los termoplásticos auto-reforzados se pueden procesar con presiones y temperaturas relativamente bajas, permitiendo el ahorro de energía y la reducción de los costes de inversión en moldes y equipos de transformación. Este material es fácil de manejar, no produce las irritaciones dermatológicas típicas de trabajar con fibras de vidrio. También conviene recordar que durante el procesado, la vida de los moldes aumenta debido a las presiones bajas y la ausencia de abrasión.

Este material semi-elaborado se precalienta hasta 150–170ºC y posteriormente es procesado por medio de "matched tools" en una prensa de baja presión o por medio de un molde de una cara con una bolsa de goma y aire comprimido. Sea cual sea el método utilizado, se puede conseguir alta definición sin estrechar o debilitar las paredes de la pieza moldeada. Además, las temperaturas de termoconformar son las que se necesitan para laminar otros materiales directamente en un único prensado como espumas acústicas o fundas sintéticas.

Desde el punto de vista medioambiental

Todos los materiales pueden ser reciclados con mayores o menores dificultades. Respecto a los termoplásticos, los polímeros puros son los más fáciles de reciclar. Sin embargo, la reciclabilidad no siempre puede primar antes de las propiedades mecánicas. Los termoplásticos auto-reforzados son en efecto el puente entre los polímeros isotropicos y los materiales composites reforzados con fibras, combinando ligereza y buenas propiedades mecánicas con la posibilidad de reciclar por medio de tecnologías existentes.

Cuando se considera el ciclo total de vida de un producto, los termoplásticos auto-reforzados son claramente más respetuosos con el medio ambiente que los composites como GMT y NMT2. Teniendo en cuenta la fabricación de la materia prima, el material semi-elaborado, la transformación en piezas, el peso del producto acabado además de las posibilidades resultantes de reciclar, es bastante claro que los materiales auto-reforzados de PP tienen ventajas comparado con los composites tradicionales reforzados con fibras, incluso desde el punto de vista medioambiental.

Su estado actual

A principios de 2002 la primera línea de fabricación industrial de termoplásticos auto-reforzados con una capacidad de 5.000 toneladas / año fue puesta en marcha por Amoco Fabrics, una filial de BP, en su planta en Gronau, Alemania. Este nuevo material se comercializa bajo el nombre de Curv. Además de aplicaciones en el sector de automoción, se está desarrollando una amplia gama de aplicaciones en otros sectores, incluyendo equipos deportivos, paneles laminados, equipos de sonido y maletas.

Amoco Fabrics es el mayor fabricante a nivel mundial de tejidos de PP con una fabricación anual de 200.000 toneladas. Actualmente se está evaluando una amplia gama de aplicaciones de automoción de la cual la fabricación de piezas bajo carrocería es el proyecto mas avanzado.

Referencias:

Robert Bjekovic, Centro de Investigación de DaimlerChrysler, Ulm & Jurgen Klimke, Amoco Fabrics, Gronau Kunststoffe Trends, May 2002.
Life Cycle Analyses de GMT, NMT y todo PP (CurvTM ), M.C. Vissers, Eindhoven University of Technology, The Netherlands.