Las preocupaciones sobre el impacto ambiental de los composites termoestables actuales han llevado a la búsqueda de alternativas más sostenibles. Para ello se han empleado refuerzos sostenibles y se han desarrollado nuevas resinas termoestables con contenido biológico y sistemas reciclables. Avances, es necesario seguir investigando en busca de nuevas alternativas.

Uno de los problemas más graves en la actualidad es el agotamiento del crudo, es decir, la escasez de productos basados en el petróleo, pero también hay graves problemas ambientales asociados al consumo de petróleo, como la contaminación y el cambio climático. Es por ello que se está volcando cada vez más en la investigación de las alternativas renovables en los materiales de composite. (2)

En los últimos años se han desarrollado resinas termoestables a partir de fuentes renovables. No son reciclables, pero suponen una gran mejora en cuanto a la sostenibilidad. Para que estos materiales sean más sostenibles se ha incrementado el uso de refuerzos renovables.

RESINAS TERMOESTABLES Y SOSTENIBLES

Figura 1. Resina termoestable polimerizada. Ed. Gaiker

Existe un gran interés en el desarrollo de estas resinas debido a sus propiedades. Este tipo de resinas, una vez polimerizadas, tienen la capacidad de formar redes cruzadas que aportan al composite excelentes propiedades químicas, mecánicas y térmicas. En este grupo de resinas destacan la epoxia, el poliéster, los binilésteres y la bencoxacina (fenólica).

Resina PFA

La resina furano se obtiene de los subproductos de la agricultura, concretamente del furfural furano, a través de la hidrólisis catalítica de la biomasa. Esto se convierte en un fémur alcohólico que, por reacción de condensación, se obtiene la resina furano. Esta resina es adecuada para sustituir la resina fenólica por su estabilidad térmica y buenas propiedades mecánicas y durabilidad.

Resina benzoxacina de origen biológico

La resina benzoxacina termoestable se clasifica en la familia de los fenoles. En los últimos años se está generando un gran interés por sus ventajas: buena estabilidad térmica, ausencia de contracciones… Es sostenible y flexible en el diseño molecular y permite realizar síntesis con fenoles y aminas de fuentes naturales, como la lignina, de donde se obtienen compuestos como la vainillina, el eugenol y el guayacol. Estos compuestos permiten el desarrollo de materiales de polibentzoxacina con diferentes propiedades.

Figura 2. Posibilidades de obtención de resinas epoxi de origen biológico. Ed. Gaiker

Resina epoxi de origen biológico

En la actualidad, las resinas epoxi son las resinas de origen biológico más desarrolladas. Entre sus características destacan la baja contracción, la facilidad de adaptación, la buena adhesión y la alta resistencia al aire libre.

Las resinas biológicas epoxi se obtienen a través de dos vías principales: por un lado, la reacción directa con los compuestos biológicos y, por otro, la epoxidación de los enlaces dobles. Las resinas epoxi biofundadas se dividen en tres grupos: aromáticos, alifáticos y completamente biológicos. Se utilizan cardinas, lignina y ácido gálico como fuente para producir resinas aromáticas. Los aceites vegetales, como la soja y el ricino, se utilizan para resinas alifáticas, tal y como se observa en la figura 2.

Resina de poliéster

Las resinas de poliéster se generan a través de la condensación de ácidos y alcoholes, formando redes cruzadas. Tienen buenas propiedades mecánicas y, en comparación con las resinas epoxi, tienen un bajo coste. En los últimos tiempos ha aumentado el interés por utilizar materias primas renovables para la síntesis de este tipo de resinas, como el ácido itacónico.

REFUERZOS SOSTENIBLES

Fibras naturales

Las fibras naturales, al ser resistentes y rígidas, poseen las cualidades adecuadas para su uso en composites. En comparación con los composites tradicionales, los composites fabricados con fibras naturales han despertado una gran atención en la industria, sobre todo por su densidad y por el respeto al medio ambiente. Las fibras naturales están formadas por numerosas cadenas largas de celulosa y lignina que se unen mediante enlaces de hidrógeno para dar solidez y rigidez. Además de las fibras vegetales, existen fibras animales como la lana, las plumas y los pelos animales, todos ellos importantes recursos.

Fibras natural-polímeros composites

Los composites de fibras naturales son materiales formados por una matriz polímero. Para ello se utilizan fibras naturales robustas como el lino y el yute. Las fibras naturales son cada vez más utilizadas, ya que tienen una rigidez y una resistencia similares a las fibras de vidrio. La humedad, el carácter hidrofílico de las fibras y el número de fibras influyen en sus propiedades. La composición química de las fibras (celulosa, hemicelulosa, lignina y ceras) también es determinante. Se han realizado estudios sobre la idoneidad de estas fibras, por un lado con matrices variadas y por otro con procesos de fabricación para el cambio de superficie.

Composites híbridos

Se están elaborando composiciones híbridas de fibras naturales reforzadas con el objetivo de ser ambientalmente más adecuadas y responder a las exigencias de las industrias que buscan la sostenibilidad. Los composites híbridos se desarrollan colocando dos o más fibras naturales en una sola matriz. Hoy en día, muchos investigadores están intentando elegir la mejor combinación de fibras naturales para aprovecharlas y minimizar los inconvenientes.

Núcleos sostenibles

Las estructuras compuestas tipo sándwich son dos capas adosadas a un núcleo que proporcionan una gran resistencia a la compresión y flexión, así como una mayor rigidez, sin un aumento significativo de peso. Son de gran utilidad sobre todo en la industria aeroespacial, en la construcción naval y en las industrias del transporte y la construcción.

La creciente conciencia ambiental en los últimos años ha llevado a la investigación y desarrollo de núcleos sostenibles. Estos materiales, obtenidos a partir de fuentes renovables y reciclables, ofrecen beneficios como la biodegradabilidad y el aislamiento térmico y acústico.

RECICLAJE DE COMPOSITES

En los últimos años, la acumulación de materiales compuestos de desecho ha generado cierta inquietud. Por ello, muchos países han comenzado a estudiar la reutilización y la reciclabilidad de estos materiales.

En este apartado no se describirá cada método de reciclado disponible para materiales compuestos (reciclado mecánico, térmico y químico), sino que se presentarán los estudios y desarrollos más recientes sobre resinas termoestables reciclables. Entre los avances recientes en resinas termoestables reciclables se encuentran:

- Resinas fenólicas reciclables: Se ha desarrollado una resina fenólica totalmente reciclable, de buena reciclabilidad y alta resistencia térmica, comparable con los bitrimeros. (4)

- Resinas epoxi autocompensables: Se ha investigado sobre la resina epoxi autovalorable y reciclable, y se han obtenido propiedades mecánicas y térmicas mediante el uso de disulfuro en su composición. (5)

- Tecnología Recyclamine: permite el reciclado de materiales compuestos basados en resina epoxi, para la recuperación de los refuerzos y la conservación adecuada de las propiedades, utilizando la solución diluida del ácido acético. (3)

Figura 3. Esquema de tecnología Recyclamine. Ed. Gaiker

- Resina Elium: Resina termoplástica reciclable basada en monómeros acrílicos, con buenas propiedades mecánicas y facilidad de procesamiento.

- Resina Akelite: Es una resina acrílica que se puede reciclar sumergiéndose en la acetona, con buenas propiedades mecánicas y capacidad de termoformado.

Estos desarrollos reflejan un avance significativo en la sostenibilidad de los materiales compuestos. Además, se obtienen las propiedades mecánicas y térmicas adecuadas, así como una creciente reciclabilidad.

APLICACIONES

Las aplicaciones de los biocomposites han cobrado cada vez más fuerza en Europa como consecuencia de las regulaciones medioambientales. Además, la Directiva (1) EURO 6 castiga a los automóviles con emisiones de CO2 superiores a 95 g/km y promueve el uso de biocomposites para reducir esas emisiones. Además, la Directiva 2000/53/CE establece el objetivo de reciclar el 95% del peso de los automóviles, fomentando el uso de biocomposites.

Los biocompuestos tienen aplicaciones en diferentes sectores. Entre otros: electrónica avanzada, sector aeronáutico, automoción, etc.

Además, se espera que el uso de biocomposites aumente en los próximos años. Según un estudio, en el periodo 2018-2030, el mercado de composites se ha valorado en 24,59 mil millones de dólares en 2021 y se espera que aumente un 16,1% (1).

CONCLUSIONES

Como conclusión, la revisión analiza las alternativas sostenibles de los sistemas termoestables convencionales y destaca la necesidad de más estudios para el desarrollo de resinas de mayor contenido biológico. Los sistemas reciclables y termoestables tienen unas propiedades generosas, y algunos, como Recyclamin, permiten reutilizar el material en la segunda vida. A pesar de los avances en sostenibilidad, es necesario analizar más alternativas para abordar de forma integral el problema ambiental.

BIBLIOGRAFÍA

1 Andrew, J.J.; Dhakal, H.N. 2022. “Sustainable biobased composites for advanced applications: Recent trends and future opportunities”. Compos.

2 Ares-Elejoste, P. Seoane- Rivero, R., Gándarias, I., Iturmendi, A., La góndola, con el nombre de K. 2023.“Sustainable Alternatives for the Development of Thermoset Composites with Low Environmental Impact” Polymers 15 (13).

3 La Rosa, A.D.; Blanco, I.; Banatao, D.R. ; Pastine, S.J. ; Björklund, A.; Cicala, G. 2018.“Innovative Chemical Process for Recycling Thermosets Cured with Recyclamines® by Converting Bio-Epoxy Composites in Reusable Thermoplastic—An LCA Study.” Materials 11, 353.

4 Liu, x.; Li, Y.; Shing, X.; Zhang, G.; Jing, 10. 2021. “Fully recyclable and high performance phenolic resin based on dynamic urethane bonds and its application in self-repairable composites.” Polymer, 229.

5 Zhang, Y.; Yuan, L.; Liang, G.; Nosotros, A. 2018. “Developing Reversible Self-Healing and Malleable Epoxy Resins with High Performance and Fast Recycling through Building Cross-Linked Network with New Disulfide-Containing Hardener.” Eng. Chem. Res.57, 12397–12406.

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Alternativas sostenibles para el desarrollo de materiales termoestables