Polymer Composite Eco-materials With Applications in the Automotive Area

Córdova-Cisneros, K. C.,1* Castañeda-Facio, A. O.,1  y Sáenz-Galindo, A.1

1Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. Venustiano Carranza, 25,000. Saltillo, Coahuila, México.
*Autor de correspondencia: karla.cordova@uadec.edu.mx
Tel: (844)416 92 13

JBCT volumen 11. No. 20
Julio – Diciembre 2018
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Resumen
En general las estrategias para la elaboración de productos más sostenibles en la industria automotriz, tienen un objetivo muy específico, el cual consiste en obtener mejoras en el medio ambiente y costos más viables para su producción. En el presente trabajo se investigó la implementación de eco-materiales compuestos poliméricos para su aplicación en la industria y las ventajas que poseen sobre los materiales compuestos convencionales.

Palabras clave: Eco-materiales compuestos, fibras naturales, polímeros

Abstract
In general, strategies for the development of more sustainable products in the automotive industry have a very specific objective, which is to obtain improvements in the environment and more viable costs for production. In this paper the implementation of eco-polymeric composite materials for application in industry and possess advantages over conventional composites was investigated.

Keywords: Eco-composites, polymers, natural fibers

Introducción

Las construcciones más sostenibles en la industria automotriz no solo son una iniciativa hacia una mejora en  el medio ambiente y de costos más viables, sino también una exigencia actual. Debido a esta demanda, otra forma de equilibrar la sostenibilidad y el costo, es con el uso de materiales compuestos, introducido por la industria la cual utiliza materiales renovables en materiales compuestos, a los cuales se les llama eco-materiales. Los materiales compuestos o compósitos son la combinación de materiales elaborados a partir de uniones de diferente naturaleza(no química, insolubles entre sí, interacciones covalentes, iónicas, etc) de dos o más componentes, que da lugar a un nuevo o mejorado material compuesto con propiedades, características específicas, las cuales pueden ser físicas o químicas. En estos materiales se pueden identificar dos fases: una continua, constituida por la matriz, y otra fase discontinua, denominada refuerzo, carga, aditivo, relleno esto dependiendo de la concentración, como se muestra en la Fig. 1.(Gelfuso y col., 2013).

Figura 1. Imagen de un compuesto de fibra de coco (FC)-PP. (Gelfuso y col., 2013).

Para que sea un eco-material compuesto, por lo general la fase discontinua es la que proviene de manera natural.

Se pueden identificar en tres grupos principales como:

  • Materiales compuestos de matriz cerámica
  • Materiales compuestos de matriz metálica
  • Materiales compuestos de matriz polimérica

Los materiales compuestos de matriz polimérica,  presentan buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, donde debido a sus particulares características pueden ser moldeadas. Se pueden destacar materiales compuestos con matrices de resinas de poliéster, viniléster, epoxiy fenólicas, y como materiales de refuerzo, las fibras de vidrio, las aramídicas (kevlar) y las de carbono (Besednjak, 2005).

Los eco-materiales compuestos se han utilizado en partes del cuerpo interior y exterior de los automóviles (Koronis y col., 2013). En donde participan varios tipos de fibras naturales (fibra de coco, yute, cáñamo, lino, sisal), las cuales se han utilizado debido a sus importantes aplicaciones industriales. Uno de los primeros materiales compuestos que apareció en el mercado fue en el año 2000, cuando se puso en marcha el coche Audi, en el cual los paneles de revestimiento de las puertas estaban hechas de poliuretano reforzado con un material de  lino/sisal (Mohanty y col., 2005).

La industria automotriz actualmente requiere producir vehículos que no dañen el medio ambiente, ya que los gases producidos por el efecto invernadero afectan considerablemente la calidad del aire (Deloug y col., 2016)por lo que esta industria  ha incrementado el uso de eco-materiales para el desarrollo de nuevos vehículos urgiendo la necesidad de un mejoramiento constante, y reduciendo cada vez más la contaminación ambiental.

Existe un aumento en la demanda de la aplicación de polímeros sintéticos en la industria automotriz y aeronáutica, dirigido principalmente para la utilización de polietileno, polipropileno, componentes de policarbonato y poliamida, utilizadas principalmente en el interior y  otras partes de los vehículos (Lapcík y col., 2008).

Algunos minerales sirven como aditivos en materiales poliméricos, beneficiando la reducción de costos (Ottani y col., 1998)y mejorando propiedades mecánicas y funcionales específicas para el compósito (Zhu y col., 2015). Un ejemplo de ello son los materiales compuestos con microesferas huecas, denominadas espumas sintácticas, las cuales se utilizan en aplicaciones que requieren tolerancia a los daños de alta y baja densidad, donde sus principales aplicaciones son aeroespaciales y de ingeniería marina (Porfiri y col., 2009).

Como se puede apreciar la aplicación de los ecomateriales poliméricos es muy basta, por lo que es de gran interés estudiarlos. El presente artículo, proporciona una revisión bibliográfica en el amplio campo de la búsqueda de materiales compuestos polímericos ecoamigables con la finalidad de implementar y mejorar la industria automotriz para su desarrollo, el cual permitirá la concepción de elementos clave para su entendimiento y desarrollo como un material aplicable en la actualidad.

ESTADO DEL ARTE

A continuación, se darán a conocer las investigaciones sobre los avances que ha tenido la industria automotriz.  Uno de los primeros eco-materiales compuestos que apareció en la industria automotriz fue en el año 1996, cuando salió al mercado el Mercedes-Benz clase E, presentando una mejora en los paneles de las puertas, sustituyendo el materialcomún con resina epoxi y esferas de fibra de lino/sisal, mejorando las propiedades mecánicas, además de presentar una notable reducción de peso del 20% y mejorando la protección de los pasajeros en caso de accidente (Suddell y col., 2005; Mohanty

y col., 2005). Recientemente, los materiales con fibras naturales están ganando importancia para reemplazar la fibra sintética basada en la implementación de eco-materiales compuestos especialmente para aplicaciones en la automoción.Como fue demostrado por Mansor y col.(2013), donde publicaron un método con unproceso analítico jerárquico (AHP), en el cual se utilizaron una selección de la fibras naturales adecuados para hibridar compuestos de polímeros reforzados con fibra de vidrio para el diseño de un componente de la palanca del freno de estacionamiento central del vehículo, en donde destacó la fibra kenaf (fibra originaria de la planta Hibiscus cannabinus) como mejor material,  cumpliendo los objetivos de diseño y requisitos de rendimiento, para formular los compuestos de polímeros híbridos para la construcción de componentes de automoción.

La correcta utilización de los recursos naturales disponibles se ha vuelto indispensable para el desarrollo de la sostenibilidad en la industria, Oqla y col. (2014)publicaron la posibilidad de utilizar las fibras de palmera datilera en la fibra natural reforzada, en materiales compuestos poliméricos (NFC) para la industria del automóvil.

Para asegurar el potencial y la competitividad de la fibra de palmera datilera (DPF) en el desarrollo de la industria automotriz, se llevaron a cabo varias comparaciones entre DPF y otros tipos de fibras utilizadas comúnmente en esta industria, siendo las fibras de palmera datilera la mejor opción para la industria automotriz, al tener propiedades muy convenientes como aislante y al ser un material muy ligero (Kalia y col., 2008).

Con la necesidad de cuidar el medio ambiente, los materiales compuestos a partir de recursos renovables se están convirtiendo cada vez más importantes para la industria automotriz, como fue presentado en la investigación de Notta y col.(2014)donde estudiaron composiciones a base de Ácido Poliláctico (PLA) optimizado para ser usado en aplicaciones de automoción, el cual presenta muy poca ductilidad  y tenacidad, por lo que se ha visto la necesidad de estudiar diferentes tipos de plastificantes para mejorar estas propiedades (Ljungberg y col., 2005). En este estudio utilizaron  como mejor opción  la composición de PLA con plastificante TBC, modificador de impacto y Biomax STRONG® Cloisite® 25A (silicatos organo-modificados), presentando gran  interés en aplicaciones de automoción obteniendo mejores niveles de ductilidad mientras que mantienen la rigidez y fuerza más alta en comparación con los materiales de  polipropileno con carga mineral.

Un ambiente ecológico  y una buena economía es la que ha llevado cada vez más, a que a que este tema cause gran interés hacía las industrias y se empiecen aplicar eco-materiales constantemente. Según estudios recientes el uso de materiales ligeros se está investigando frecuentemente con el objetivo de reducir el impacto durante su uso. Delogu y col.(2016) publicaron las evaluaciones ambientales y económicas que se combinan para evaluar la sostenibilidad de la adopción de un material ligero innovador para un componente del automóvil.  Se utilizó, material compuesto de polipropileno (PP) reforzado con relleno a base de talco, y otro innovador elaborado con micro-esferas de vidrio huecas como refuerzo del PP, las cuales se compararon para ser aplicados a los paneles de tableros de instrumentos del automóvil, como se muestra en la Fig. 2. (Delogu y col., 2016). Obteniendo resultados que muestran que el compuesto reforzado con microesferas de vidrio hueco son mejores desde un punto de vista ambiental para categorías de impacto. En general este material no se ve afectado en cuanto a su fase final de vida y a pesar de un costo de material más alto, se encontró que la solución innovadora es económicamente conveniente.

Figura 2. Imagen de un Panel del Tablero de instrumentos del Automóvil
a) Componente finalizado b) capa inferior c) manto superior (Delogu y col., 2016).

Los paneles de las puertas, la palanca del freno de estacionamiento central, los paneles del tablero de instrumentos, son algunas de las posibles aplicaciones que ha ido adoptando la industria automotriz con la implementación de eco-materiales compuestos en sus productos.

CONCLUSIÓN

En este estudio se presenta el amplio campo de aplicación de los  eco-materiales compuestos  y las ventajas que tienen al constituirse de un polímero y un refuerzo que les confiere propiedades más específicas para el uso de cada uno y así construcciones más sostenibles en la industria automotriz, como la reducción de la contaminación ambiental. Esto nos permite tener una visión de la importancia del rol que juegan los eco-materiales compuestos en la industria.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Universidad autónoma de Coahuila, al posgrado en Ciencia y Tecnología de Materiales de la Facultad de Ciencias Químicas y al apoyo otorgado por parte del CONACyT por el otorgamiento de la Beca a nivel maestría con No. 447566.


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