- Las espumas ecológicas (verdes)
- Las espumas a base de almidón
- BioFoam ®: una Nuevaespuma biodegradable
- Ingeo de NatureWorks LLC
- Proceso Mucell: Una tecnología de espuma microcelular Versátil
- Estructura Sandwich Corte Peso Carro: El concepto Inrekor Basado en Arpro EPP Foam (JSP)
- Espumas de estireno acrilonitrilo
- Espumas de poliéster
- Espumas de Poliimida y derivados
- Espumas de Polieterimida: Ultem de SABIC Innovative Plastics
En términos generales, las espumas entregan baja densidad y propiedades aislantes, dos características cada vez más apreciadas en sectores tan diversos como la aeronáutica, automotriz, transporte, envasado, construcción y otros. Sorprendentemente, las espumas ligeras también son comúnmente utilizadas como materiales centrales para compuestos estructurales que permiten una relación alto rendimiento / peso reduciendo los costos de combustible de aplicaciones de automoción, transporte y aviones. Las propiedades de aislamiento aplicadas a los sectores de la construcción, el transporte, la industria aeroespacial, criogénicas también generan altos ahorros de costos y energía.
Los fabricantes continúan buscando peso nuevos ahorros potenciales de peso y costos a través de nuevos materiales de alto desempeño aprovechando las propiedades colaterales de espumas de polímeros tales como el comportamiento a alta temperatura, aplicaciones de temperatura criogénicas , resistencia a los disolventes, resistencia al envejecimiento, etc. En cuanto a los otros materiales, el uso de recursos renovables sustituyendo al petróleo es más y más requerido para satisfacer las tendencias del medio ambiente y evitar la posible escasez de petróleo.
Las espumas avanzadas Hi-Tech son otra tendencia utilizando plásticos de ingeniería, y polímeros avanzados, incluyendo SAN, PET, PA, PVDF, poliimida, PEI, Pebax entre otros, combinando las ventajas (y también inconvenientes) de las espumas y las del polímero utilizado. Este artículo trata de algunas soluciones innovadoras, pero muchas otras tecnologías se estan desarrollando o emergiendo, tales como compuestos espumados incluyendo WPC, espumas de melamina, los componentes sintácticos, etc
Las espumas verdes
Dos rutas principales conducen a bioespumas o espumas verdes:
- El uso de biopolímeros tales como almidón o derivados de PLA
- El uso de polioles naturales para espumas de poliuretano
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Las espumas a base de almidón
La lámina de espuma de Mater-Bi ® Wave es una alternativa a las espumas de poliestireno, poliuretano y polietileno comúnmente utilizados en el envasado de protección. El almidón se expande usando agua, se extruye en forma de láminas y después se ensambla en bloques que se pueden cortar en cualquier forma. Wave tiene una estructura de célula cerrada robusta y resiliente. Las laminas y bloques están disponibles en diferentes tamaños, con una densidad de 35 a 400 kg/m3 (véase la Tabla 1).
Tabla 1: Ejemplos de Características de Wave | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poliésteres alifáticos o PLA
Los poliésteres alifáticos, por ejemplo polihidroxibutirato, policaprolactona, ácido poliláctico, succinato de polibutileno pueden ser espumados para la fabricación de productos biodegradables con limitadas propiedades mecánicas y térmicas. La formulación y optimización de los métodos de procesamiento puede mejorar el desempeño. Por ejemplo, Unitika y Toyota utilizar un nanocompuesto de PLA reforzado con montmorillonita que proporciona un mejor desempeño y un procesamiento más fácil. En otro ejemplo, la bandeja Cryovac ® NatureTRAY hecha con el PLA de NatureWorks ® es adecuada para el envasado de productos de carne, pescado y secos. Además, los biopolimeros NatureWorks ® proponen licencias para el espumado por inyección de gas.
BioFoam ®: Una Nueva Espuma Biodegradable
Synbra Tecnología presenta BioFoam ®, una espuma biodegradable respetuoso del medio ambiente a partir de desechos de plantas y vegetales. Una patente a nivel mundial ha sido concedida a BioFoam ®.
Inicialmente, será utilizada por las filiales de Synbra para aplicaciones de la industria del embalaje, pero hay la posibilidad de que BioFoam ® también pueden competir con el EPS en productos de construcción en el futuro. Si el petróleo con el que se hace el EPS, escasea, Synbra siempre podra ser una alternativa ecológica en el futuro.
El desarrollo de BioFoam ® fue uno de los factores que ayudaron a Synbra Technology BV a ganar el Premio Prima Ondernemen. Junto con los socios de desarrollo, PURAC y Sulzer Chemtech , Synbra Technology también ganó el premio "2008 European Polylactic Production Technology Innovation of the Year Award" por esta innovación. Synbra también ha recibido la certificación Cradle to Cradle para la producción de BioFoam ®.
Espuma Expandida de Ácido poliláctico (PLA-E)
Biopolymer Network Limited ha desarrollado un proceso nuevo y pendiente de patente para fabricar y moldear artículos de espuma expandida ácido poliláctico (PLA-E) de baja densidad que utilizan dióxido de carbono como agente de soplado. Esto proporciona una bio alternativa derivada sosteniblemente al poliestireno expandido (EPS). La tecnología E-PLA se ha desarrollado como un proceso 'drop-in' para los actuales fabricantes de EPS. El proceso utiliza granulos de PLA comercialmente disponibles en el mercado como materia prima en un proceso de pre-tratamiento que es simple, racionalizado, robusta y ampliable, que sólo requiere una pequeña inversión en bienes de capital fuera de la plataforma. Tras el pre-tratamiento, las perlas se expanden y se moldean en artículos conformados usando un equipo convencional de producción de EPS.
La Tabla 2 muestra algunos ejemplos citados de propiedades en comparación con los de un EPS de baja densidad. Las propiedades térmicas son similares, pero las características de compresión son más bajas.
Tabla 2: Ejemplos de Propiedades para Espumas de E-PLA | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ingeo de NatureWorks LLC
Ingeo 8052D - un producto de NatureWorks LLC se puede convertir en una lamina espumada expandida con temperaturas de uso de hasta 25 ° C, la temperatura de fusión cristalina 145-160 °C, temperatura de transición vítrea 55-60 ° C. Esta espuma es ligera y adecuada para el envasado de carne fresca y vegetales. Para extruir la espuma con las propiedades deseadas de expansión, este grado debe ser modificado con un agente de ramificación tal como Joncryl ® 4368C.
Ingeo biopolímero está disponible en forma de gránulos procesable en líneas tándem de extrusión de espuma con modificaciones previstas para considerar las diferencias inherentes en las propiedades del polímero. Como mínimo, la línea debe equiparse con un sistema de secado, un nuevo tornillo de extrusión secundario, y mejorar el enfriamiento en el mandril. El secado antes de su procesamiento es esencial. El polímero es estable en estado fundido, a condición de que se sigan los procedimientos de extrusión y secado.
Las espumas de poliuretano a partir de polioles naturales
Los polioles derivados de plantas renovables (soja, aceite de ricino, etc) han sido desarrolladas por varios grupos industriales, por ejemplo, Cargill (BiOH), Bayer (polioles de aceites naturales - NOP), Dow (RENUVA ™ - Tecnología de Recursos Renovables) para la producción, entre otros, de los poliuretanos por sustitución total o parcial (30-100%) de polioles sintéticos. Además, algunos métodos utilizan la formación de espuma con agua para mejorar el carácter ecológico.
Las aplicaciones incluyen prácticamente todos los mercados: construcción, automotriz (Ford Mustang, Ford Escape), muebles, espuma central para elementos sándwich. Se dice que las propiedades estan muy cerca de las de un poliuretano tradicional. Por ejemplo, Lear Corporation ha desarrollado SoyFoam ™, un material de espuma flexible basado en aceite de soja para aplicaciones interiores de automóviles. Las ventajas de SoyFoam ™ incluyen un menor impacto medioambiental para producir, hasta 24% de contenido renovable en oposicion a las espumas tradicionales no renovables a base de petróleo , una menor dependencia de los mercados energéticos volátiles y el potencial de reducir los costos de espuma conforme el uso en aplicaciones automotrices alcance la masa crítica.
Lear está colaborando con el Comité de Nuevos Usos de United Soybean Board, Urethane Soy Systems Company, Bayer Corporation y Renosol Corporation en el desarrollo de SoyFoam ™.
Proceso Mucell: Una Tecnología Versátil de Espuma Microcelular
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| Figura 2: Panel de instrumentos para el Ford Escape (Fuente: Trexel) |
La tecnología de espuma microcelular MuCell ® de Trexel Inc. es una tecnología completa de procesamiento y equipamiento que permite la producción de piezas de alta calidad de plástico con estabilidad dimensional significativamente mejorada, una mayor relación de desempeño / peso y el tiempo de ciclo reducido. La tecnología MuCell ® implica la introducción de cantidades exactamente dosificadas de gases supercríticos (nitrógeno o dióxido de carbono) en la unidad de plastificación de una máquina de moldeo por inyección para crear una estructura de material microcelular en el producto final. La creación de estas estructuras microcelulares trae una amplia gama de beneficios que incluyen un aumento de la calidad de las piezas junto con los costos de producción reducidos.
El proceso MuCell ya ha sido utilizado con éxito en los vehículos de Ford en Europa para las cubiertas de válvulas, además de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). La Sociedad de Ingenieros Plásticos premio el uso de Ford del proceso de MuCell (Gran Premio en la Competencia 41 de Premios a la Innovacion Automotriz). Mediante la creación de la estructura de panel de instrumentos para el Ford Escape en espuma microcelular, el peso se reduce más de una libra, se mejoran las propiedades mecánicas, el tiempo de ciclo de moldeo se reduce al 15%, y el tonelaje de sujecion de moldeo se reduce en 45%, ahorrando un estimado de 3 dólares / vehículo vs la inyección sólida.
Nanoespumas de Poliuretano para Aislamiento Térmico: Bayer MaterialScience & Partners Avanzan
El desempeño de aislamiento térmico de una espuma de poliuretano rígida depende principalmente del tamaño de los poros de la espuma. Cuanto menor sea el diámetro, menor será la conductividad térmica y mejor será el desempeño aislante. Hoy en día las espumas rígidas de poliuretano tienen típicamente tamaños de poro de aproximadamente 150 micrones.
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Bayer MaterialScience desarrolla una nanoespuma de poliuretano innovadora que podría llevar a un salto cualitativo en el desempeño de aislamiento térmico. En colaboración con el Prof. Strey (Universidad de Colonia, Alemania), Bayer MaterialScience se aplica el principio de Expansión Microemulsión Supercrítica (POSME). En pocas palabras, las microemulsiones de materias primas PUR-CO2 y surfactantes reaccionan en condiciones supercríticas para formar nanoespumas rígidas de poliuretano. El objetivo es producir espumas rígidas con tamaños de poro de menos de 150 nanómetros de diámetro, es decir, 1000 veces más delgadas que las espumas de poliuretano tradicionales reales (150 micrones).
Nanoespumas de este tipo podría alcanzar el doble de desempeño de aislamiento térmico de las espumas actuales de poliuretano, lo que significa que ellas podrían, por ejemplo, reducir significativamente el consumo de energía de los aparatos de refrigeración y, a su vez, hacen una importante contribución a la reducción de emisiones de CO2. Mas aun, las paredes de estos aparatos puede ser de diseño más delgado, lo que resulta en más espacio de almacenamiento para productos refrigerados ", explicó el Dr. Stefan Lindner, un especialista de espuma rígida de poliuretano de Bayer MaterialScience.
Para sintetizar un nanoespuma (ver la Figura 3) utilizando el método POSME, se mezclan dióxido de carbono (CO2) y las materias primas de poliuretano líquido (poliol e isocianato) con la ayuda de agentes tensioactivos especiales a una presión de 200 bar para formar una micro emulsión que consiste en gotitas de tamaño nanométrico llenas de CO2 y encapsulado en los tensioactivos. Luego se reduce la presión, causando que el CO2 se expanda y las gotas se conviertan en burbujas aún en el rango nanométrico. Al mismo tiempo, las materias primas de poliuretano reaccionan para formar una red de polímero 3D que es una espuma rígida de poliuretano.
"Uno de los más difíciles desafíos que enfrentamos es el de coordinar de manera óptima la reacción de las materias primas de poliuretano con la expansión de las burbujas de CO2 mediante una cuidadosa puesta a punto de los parámetros de proceso de manera que resulten en nanoporos del diámetro seleccionado", explicó el Sr. Lindner.
El proceso puede ser optimizado gracias a los nuevos desarrollos en relación con:
- Optimización de la Formulación
- Reduccion Adicional del tamaño celular
- Ampliación del Proceso de Espumado
- Cambio a Procesamiento Continuo
Inrekor por Stewart Morley es una tecnología de estructura sándwich ultra ligera, utilizando un núcleo de polipropileno expandido Arpro con pieles unidas, para dar un desempeño excepcional resistencia a peso. El prototipo de un chasis de vehículo (véase la Figura 4) reduce el peso de un típico 300 kg a 160 kg, mientras que pasa las pruebas estructurales y de choque. El programa de auto completo duró sólo 13 semanas a partir de primeros diseños CAD para girar la llave.
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Además de las bien conocidas espumas tales como las espumas de poliuretano, poliestireno, PVC, polietileno, etc., se están desarrollando espumas más específicas derivadas de:
Polimeros de ingeniería incluyendo SAN, PET, PA, etc
Polímeros avanzados tales como PVDF, polieterimida, poliamida, PSU, etc.
TPEs: TPO, TPV, Pebax
Ellos combinan las ventajas (y también inconvenientes) de las espumas y las del polímero utilizado. Sin pretender ser exhaustivos citaremos algunos ejemplos
Espumas de estireno acrilonitrilo
Gurit propone su Corecell ™ A-Foam y Corecell ™ T-Foam, y JSP propone su Heatpor para núcleos de espuma estructural.
Las propiedades reportadas incluyen:
- Propiedades mecánicas
- Resistencia química
- Procesamiento a 120 ° C
Tabla 3: SAN Foam - Corecell™ T-foam | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Espumas de poliamida
Zotefoams utiliza un proceso de fabricación de solución de gas nitrógeno en alta presión donde laminas polimericas extruidas reticuladas se impregnan con nitrógeno puro y se expanden posteriormente en una cámara de presión sin el uso de moldes. Según Zotefoams, este proceso produce espumas con uniformidad de tamaño de las celdas, de bajo olor, alta pureza y algunos otros atributos físicos sobresalientes.Los productos espumados con nitrogeno se refieren a una amplia gama de polímeros, incluyendo productos tales como LDPE, HDPE y PP, y EVA o TPEs tales como PEBAX (copolímeros de poliéter amida en bloque) y una variedad de polímeros avanzados tales como PVDF, PSU, poliamida y silicona.
Los productos están disponibles en calidades especiales con aditivos retardantes de llama (para las industrias de la construcción y aeroespacial), propiedades conductivas o disipativas estáticas (para fabricación de productos electrónicos y embalaje). Las espumas se fabrican en una amplia gama de densidades 15kg/m3 (1lbs/ft3) hasta 120kg/m3 (7.5lbs/ft3).
En cuanto a las espumas de poliamida, la Tabla 4 muestra algunos ejemplos de propiedades de acuerdo a Zotefoams.
Table 4: Ejemplo de propiedades de una Espuma de PA6 reticulada, celda cerrada | ||||||||||||||||||||||||||||||
Se proponen algunas espumas de PET , por ejemplo: Airex por 3A Composites y G-PET por Gurit. Estas espumas estructurales se dice que tienen las siguientes propiedades:
- Proceso de alta resistencia a la temperatura
- Resistencia química
- Fácil de pegar
- Mecánicamente realizables (ver Tabla 5)
- Compatible con una amplia gama de sistemas de resinas incluyendo, epoxi, éster de vinilo, poliéster no saturado y resinas fenólicas
- Compatible con muchos tipos de procesos compuestos que incluyen la infusión al vacío, pegado, pre-preg y termoformado
- Reciclable
Table 5: Ejemplos de Espumas PET | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Varias soluciones son propuestas por los productores de polímeros o especialistas de espuma, por ejemplo: Arkema, JSP, Solvay y Zotefoams. Arkema propone soluciones mejoradas de desempeño para sus clientes de resinas de Kynar ® PVDF Kynar Flex ® PVDF, ofreciendo una tecnología de espuma sobre la base de un concentrado de espuma. Este concentrado de espuma ha sido específicamente diseñado para trabajar con resinas Kynar ®, lo que permite optimizar la tecnología de formación de espuma. "El éxito de la tecnología de PVDF espumante para revestimiento de cables y alambres se basa en la capacidad de obtener la baja densidad, manteniendo el buen desempeño del PVDF", explicó Thomas Labor, Ingeniero de Desarrollo de Negocios de Arkema para fluoropolímeros. Las aplicaciones específicas incluyen aplicaciones de cable de distribución de aire, enchaquetado de cables y de fibra óptica, tubos, tuberías, láminas, películas, y barras. Artículos espumados son fácilmente soldables a otros productos espumadas y no espumadas-Kynar ® .
Solvay Specialty Polymers y JSP anunciaron recientemente que una segunda generación de espuma de PVDF Solef ® está ahora disponible para el mercado aeronáutico. La nueva Solef ® 82050 es una espuma de PVDF completamente moldeable capaz de pasar las Pruebas de Toxicidad (FAR y AITM) de fuego, humo aeronauticos . Se afirma que este nuevo grado tiene mejores propiedades mecánicas y un mayor rango de temperatura en comparación con la primera generación, lo que permite una reducción significativa de peso, una disminución de hasta un 50% de densidad sobre el producto existente, que ya es dieciséis veces más ligero que la resina de PVDF Solef ® .
Zotefoams produce ZOTEK F, una serie de espumas basado en PVDF Kynar ® de célula cerrada ligera teniendo de acuerdo con Zotefoams, excelente resistencia UV , radiación nuclear y resistencia al envejecimiento, alta resistencia dieléctrica y la resistencia a una amplia gama de disolventes y productos químicos agresivos. Térmicamente estable (ver Figura 5) a través de un amplio rango de temperaturas (hasta 160 ° C de acuerdo con las condiciones), esta espuma de PVDF comercializada en varias versiones, por ejemplo: HT (alta temperatura) o HT LS (Low Smoke). Estas cifras teóricas no se puede utilizar para el diseño o predicción de envejecimiento). Los grados ZOTEK F pueden manipularse usando métodos convencionales de conversión de espuma, tales como troquelado, corte por chorro de agua, aserrado, laminado y soldadura en rollos continuos. También pueden termoformarse en componentes complejos.
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Espumas de Poliimida y derivados
Varios espumas de poliimida se comercializan, por ejemplo:
Varios espumas de poliimida se comercializan, por ejemplo:
- SOLIMIDE ® Productos de espuma de Evonik
- TPI poliimida espuma por Trelleborg
- Vespel ® SF por DuPont ™
- Resistencia a la llama
- Amplia gama de densidades desde extremadamente ligeras hasta 50 kg/m3
- Amplio intervalo de temperaturas de operación desde temperaturas criogénicas hasta 300 °C
- Aislamiento acústico y térmico
- Compatibilidad con una variedad de adhesivos y revestimientos de alto rendimiento
Table 6: Ejemplo de Espuma de Polyimida | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Espuma de Polieterimida: Ultem de SABIC Innovative Plastics
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La familia de productos espumadosUltem incluye grados con tres densidades diferentes: 60 kg/m3 (3,8 lb/ft3), 80 kg/m3 (5lb/ft3), y 110 kg/m3 (6.9 lb/ft3). Los tres grados, fabricados como planchas espumadas, son adecuados para una serie de procesos de transformación de compuestos incluyendo maquinado, bolsas de vacío, moldeo por compresión, y termoformado.
Esta espuma rígida termoformable, con una estructura celular uniforme utilizado como el núcleo estructural de los sistemas multicapa puede conducir a ahorros de peso, FST y desempeño en alta temperatura. Las aplicaciones incluyen cúpulas de aeronaves y componentes interiores, como cocinas y paneles de dado.
Conclusión
El ahorro de costos, energía, peso, combustible y el uso de materias primas renovables naturales son requisitos universales. La baja densidad y las propiedades aislantes de espumas son dos características en la línea recta de estas tendencias, cada vez más necesarias en sectores tan diversos como la aeronáutica, la automoción, transporte, empaquetado, construcción y otros. Las espumas ligeras también se utilizan comúnmente como materiales centrales para compuestos estructurales que conducen a altas relaciones de desempeño / peso reduciendo los costos de combustible de aplicaciones de automoción, transporte y aeronaves. Propiedades de aislamiento aplicadas a la construcción, el transporte, la industria aeroespacial, los sectores criogénicos generan también altos ahorros de costos y energía.
Los fabricantes continúan desarrollando nuevos ahorros potenciales de costos y peso y a través de innovadores materiales de alto desempeño y nuevos métodos de procesamiento que se aprovechan de fácil fabricación y las propiedades colaterales de las espumas poliméricas tales como el comportamiento a alta temperatura, la aplicación de temperatura criogénica, resistencia a los disolventes, resistencia al envejecimiento, etc El uso de energías renovables para la sustitución de los recursos de petróleo satisface las tendencias del medio ambiente y evita una posible escasez de petróleo. Las principales rutas que conducen a bioespumas o espumas verdes incluyen biopolímeros tales como los derivados del almidón o del PLA y el uso de polioles naturales para las espumas de poliuretano.
En el caso ideal, las espumas biodegradables hechas de fuentes renovables llevan a ciclos de vida de circuito cerrado. espumas a base de almidón , poliésteres alifáticos expandidas o PLA se proponen. Las espumas de poliuretano parcialmente hechas de polioles naturales son de interés que permite obtener las propiedades del mismo orden como poliuretano fósil un contenido bio-carbono de 20 hasta 90%. Entre los métodos de procesamiento innovadoras, el proceso Mucell, una tecnología de espuma microcelular está desarrollando, permitiendo la producción de piezas de alta calidad de plástico con significativamente mayor relacion desempeño / peso, estabilidad dimensional mejorada, y tiempo de ciclo reducido. Siguiendo otro camino, nanoespumas poliuretano, ofrecen mejor aislamiento térmico gracias al desempeño de los diámetros celulares más pequeños en la nanoescala.
Las espumas avanzadas Hi-Tech son otra de las tendencias a partir de plásticos de ingeniería y polímeros avanzados, incluyendo SAN, PET, PA, PVDF, poliamida, PEI, Pebax entre otros. Combinan las ventajas (y también inconvenientes) de las espumas y las del polímero utilizado.
Referencias
Guias Tecnicas y sitios de internet: 3A composites, 3B-Fibreglass, Akzo Nobel, Arkema, Asahi Fibre glass, Atofina, Azdel, Basell, BASF, Bayer, Bayer MaterialScience, Biopolymer Network Limited, Borealis, Byk, Cabot,Cargill, Ciba, Clariant, Cytec, Degussa, Dow, DuPont, EMS-Chemie, EuPC, Evonik, Exxon, GEP, Gurit, Hexcel, Hoechst, Inrekor, Johns Manville, JSP, Lanxess, Lear Corporation, Lehmann & Voss, LNP, McClarin Plastics, NatureWorks, Novamont, Omya, Owens-corning, Peguform, Philips, PolyOne, PPG, PRW, Purac, Quadrant CMS, Quadrant Plastic Composites, Rhodia, Röhm GmbH, SABIC Innovative Plastics, Schulman, Shell, Silenka, Soficar, Solvay Specialty Polymers, SpecialChem, St Gobain Vetrotex, Sulzer Chemtech, Synbra Technology, Ticona, Toray, Trelleborg, Trexel Inc Twaron , Uniquema, Unitika, Toyota, Vanderbilt, Vinnolit, Zoltek, Zotefoams.
SpecialChem | Michel Biron
17 Julio 2012
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