Materiales compuestos en automóviles

El primer automóvil en usar materiales compuestos para su estructura fue el Lotus Elite de Colin Chapman en 1957, que usó varios moldes de GRP (glass reinforced plastic) pegados para armar un monocasco de material compuesto. Antes de esto, en los 50’, el Ford Thunderbird y el Chevrolet Corvette habían usado GRP para parte de la estructura y componentes de la carrocería, mientras que Citroën lo utilizaba para el panel del techo en el DS.

Desde entonces, el uso de materiales compuestos en la industria automotriz ha ido en aumento. Su mayor desarrollo se dio en los autos de alta gama donde es primordial la reducción del peso del vehículo sin perder las propiedades mecánicas. Fue en este campo que fueron introducidos los materiales compuestos de fibra de carbono.

Sin embargo estos materiales son muy difíciles de reciclar. De acuerdo a normativas europeas el 85% del peso de un automóvil tenía que ser reciclable para el 2005 y se estima que el porcentaje aumentará al 95% para el 2015.

Esto hace que aumente el interés en el reemplazo de las fibras de vidrio en los plásticos reforzados por fibras naturales que pueden ser: yute, lino, cáñamo, sisal y ramina entre otras. Además de ser naturales poseen menor densidad que las fibras de vidrio por lo que podrían reducir más el peso.

Interior de automóvil

En los últimos años se ha intentado reducir el uso de las fibras de vidrio, aramida o carbono por fibras naturales más económicas y livianas para reducir el peso del automóvil. Con este fin se han utilizado estos materiales en el interior de una gran cantidad de vehículos.

Mercedes-Benz usó en 1996 una matriz epoxy con el agregado de fibras de yute para los paneles de las puertas en vehículos clase E. En 2000 Audi utilizó poliuretano reforzado con fibras de lino y sisal para recubrimientos de puertas.

Toyota y Mitsubishi, por su parte, desde 2003 han experimentado con matrices de plásticos biodegradables como el PLA y el PBS combinándolos con fibras de kenaf y bambú.  Más recientemente Ford utilizó paja de trigo como refuerzo para partes internas de su crossover Flex.

Exterior del automóvil

El reemplazo de componentes exteriores es más complicado ya que estas partes no están protegidas de las condiciones climáticas. Algunos ejemplos son, el colectivo Travego de Mercedes-Benz equipado con un recinto para el motor y transmisión hecho de poliéster y fibras de lino, o el uso de fibras de abacá en lugar de fibra de vidrio para el cobertor del neumático de repuesto en una cupé también de Mercedes-Benz.

Constituyentes del material compuesto ecológico: la fibra

Las fibras naturales son fibras renovables cultivadas en campos y pueden ser utilizadas como refuerzo en la manufactura de un material compuesto de la misma manera que una fibra sintética. Algunos ejemplos de las fibras más utilizadas son: abacá, kenaf, cáñamo, lino, yute y ramina.

Las fibras de yute son por lejos las plantas productoras de fibras más cultivadas en todo el mundo con buenas prestaciones mecánicas. Por otro lado, el lino es una de las fibras más importantes y demandadas en Europa, a la vez que es relativamente más fuerte y rígida.

La ramina es la fibra más larga y una de las fibras textiles más fuertes por lo que demuestra un gran potencial como refuerzo de plásticos. Algunos investigadores señalan que esta fibra muestra valores más altos que el yute y el lino además de una resistencia a la tracción similar a la de la fibra de vidrio. El abacá por otro lado presenta menores propiedades mecánicas que el yute.

A continuación se presenta un cuadro (Tabla 1) que resume las propiedades mecánicas de las fibras naturales en comparación con la fibra de vidrio.

Tabla 1

 Tabla 1.  Flax: lino; hemp: cáñamo; jute: yute; ramie: ramina;

 

Figura 1

 Figura 1. Propiedades específicas de algunas fibras naturales y de vidrio (E).

Cabe notar de la Fig. 1 que tanto el módulo de Young como la resistencia a la tracción específicas están comprendidas dentro de un cierto rango. Esto se debe a las distintas épocas de cosecha y/o región del planeta en la que fue cultivada la fibra.

Como se puede ver de esta figura no existe una sola fibra que se destaque por encima de las demás en ambas propiedades.

En cuanto a las cuestiones importantes a tener en cuenta sobre estas fibras están su variación de propiedades según la época del año y región de cultivo. Otro gran problema es su pobre compatibilidad con varias matrices poliméricas para lo cual se requiere de agentes compatibilizantes.

Otra de las contras es su pobre resistencia al ataque de microorganismos que dificulta su transporte y almacenamiento a largo plazo. De la misma manera, estas fibras requieren de bajas temperaturas de procesamiento ya que por encima de los 200ºC comienzan a degradarse.

 Todos estos factores dificultan su utilización en materiales compuestos, especialmente para partes exteriores de los vehículos.

 Constituyentes del material compuesto ecológico: la matriz

En cuanto a la matriz hay una serie de polímeros que pueden ser tenidos en cuenta, los cuales pueden o no ser biodegradables. Lo importante es cuanto pueden ser reciclados o pueden descomponerse (incineración para recuperar energía) una vez que acaba su vida útil.

Ejemplos de estas resinas son el PLA (ácido poliláctico) y el PLLA (ácido poli-L-láctico), ambos termoplásticos. También están en PHB (polihidroxibutirato), otro poliéster y el PHVB (copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato).

Las propiedades mecánicas se estos polímeros están agrupadas en la Tabla 2 (donde también se coloca el PP para comparar) y en la Figura 2 se compara sus propiedades específicas.

 

Tabla 2

 Tabla 2. Propiedades de algunos polímeros de origen natural 

Como se puede observar de la Figura 2, al igual que con las fibras, no se observa que un polímero sobresalga en ambas propiedades por encima del resto.

 Figura 2

 Figura 2. Propiedades específicas de algunos polímeros de origen natural y de PP.

 La gran ventaja de estas resinas es que al ser de origen natural son biodegradables o pueden ser descompuestas. Sin embargo, tienen la contra de su elevado costo incluso para producción a gran escala. De la misma manera, otra de sus contras incluyen: fragilidad, permeabilidad de gases y una baja temperatura de distorsión por calor.

Propiedades mecánicas de compuestos ecológicos

En la Tabla 3 se presenta una serie de materiales compuestos ecológicos recogidos de la bibliografía y sus respectivas propiedades mecánicas.

Tabla 3

Tabla 3. Propiedades de algunos compuestos de origen natural comparados con PP + fibra de vidrio

 

 

Figura 3

Figura 3. Propiedades específicas de algunos compuestos de origen natural y de PP + fibra de vidrio.

Observando la Figura 3 podemos decir que los compuestos ecológicos hechos de PLA y PLLA y de fibras naturales como lino, ramina o yute presentan propiedades mecánicas similares a las de su contraparte sintética hecha de PP y fibra de vidrio.

 

Sin embargo cabe destacar que estos materiales han sido producidos mediante distintas técnicas por lo que hay que ser cuidadosos a la hora de compararlos.

     Jueves 16 de Julio de 2020