REVISTA DE INGENIERIA DYNA

Este acabado final puede obtenerse mediante el pintado de la pieza una vez extraía del molde o bien empleando un gel coat durante el proceso de fabricación, lo que se conoce como pinturas de aplicación en molde o "in-mould coating". Las ventajas de este último método son varias; reducción de costes asociados a operaciones secundarias para el pintado (desengrase, lijado...), mejora de la compatibilidad química entre la capa de acabado y el laminado estructural, reducción de tiempos de ciclo... Por estos motivos la utilización de gel coat líquido como capa de recubrimiento está muy extendida en la fabricación de composites.

El gel coat líquido es un material que tiene como base una resina a la que se añaden aditivos, pigmentos y cargas. Se aplica en el molde y se procede a su curado parcial antes de aplicar el refuerzo e inyectar la resina que conformarán la pieza final de material compuesto. El gel coat terminará de curar durante el proceso de fabricación del composite y esta es una de las ventajas de su aplicación ya que gel coat y resina reaccionan de forma conjunta formando enlaces químicos lo que mejora la adhesión entre ambos componentes.

Actualmente, la gran mayoría de los gel coats disponibles en el mercado son gel coats de poliéster. En estas formulaciones existe un componente esencial; el estireno, que forma parte de los componentes de la resina. El estireno actúa como disolvente y como agente de entrecruzamiento en las formulaciones del gel coat y durante el proceso de polimerización de la resina parte del mismo se evapora en forma de gas. El estireno está clasificado como material peligroso para la salud y el medio ambiente por lo que existe una legislación cada vez más restrictiva respecto a las emisiones de este componente.

Estas resinas normalmente emplean un sistema catalítico que inicia la reacción de polimerización. Este sistema consta de un acelerador a base de sales de metales pesados y un iniciador, normalmente un peróxido orgánico (clasificado como material peligroso). Una vez añadido el iniciador la reacción de curado del gel coat empieza inmediatamente. Como se trata de una reacción exotérmica el aumento de la temperatura acelera la evaporación de estireno presente en la formulación como disolvente y la resina empieza su reacción de entrecruzamiento. Un parámetro importante que se debe controlar durante este proceso es el tiempo de gel. El tiempo de gel es el intervalo de tiempo necesario para que el gel coat adquiera un estado gel después de la adición del iniciador. Una vez alcanzado este estado el gel coat ya no puede fluir y por lo tanto no es posible su aplicación. El tiempo de gel puede variar entre 10 minutos hasta más de 25 minutos y depende de muchos factores (temperatura de aplicación, humedad ambiental, porcentaje de catalizador, cantidad de acelerador...). Una vez aplicado se debe esperar a que el gel coat se encuentre en estado "tacky" para evitar una mala adherencia de la capa de gel-coat con el estratificado. Este estado se caracteriza por el curado parcial del gel coat, y corresponde al momento en el cual el moldeador puede tocar la superficie sin mancharse los dedos. Si aplicamos el refuerzo estructural en este momento la adhesión entre los distintos componentes será óptima. Si no será necesario lijar el gel coat antes de la aplicación del refuerzo estructural para asegurar una buena adhesión entre capas.

Como vemos a pesar de la gran ventaja económica que supone la aplicación de gel coat existen varios retos tecnológicos a los que se enfrenta la industria:

• Reducción de emisiones de estireno
• Reducción de manipulación de materiales tóxicos/peligrosos para los trabajadores.
• Control de las condiciones de polimerización para asegurar la calidad final de las piezas.

Respecto a la reducción de emisiones de COVs, se han desarrollado distintos gel coats de poliéster con bajo contenido en estireno, en base acuosa o con otros tipos de resina (epoxi o poliuretano), aunque los gel coats de poliéster siguen siendo los más usados.

Además de estos retos relacionados directamente con la aplicación del gel coat, la industria de los composites necesita reducir los tiempos de ciclo de fabricación para poder alcanzar nuevos mercados. Uno de los mercados emergentes para la industria de los composites es el sector de la automoción. Este sector demanda materiales que puedan contribuir a la reducción de peso del vehículo y por lo tanto a la reducción de emisiones de CO2 de acuerdo con la legislación europea vigente (95g/Km en 2020). Los composites pueden contribuir de una manera efectiva a la reducción del peso en vehículos manteniendo o incluso mejorando las propiedades mecánicas pero el reto está en diseñar composites a un coste reducido que puedan competir con los productos empleados actualmente. Para ello es necesario diseñar nuevos materiales que contribuyan a reducir los tiempos de ciclo en la fabricación de composites.

En este contexto, dentro del proyecto ECOGEL-CRONOS, se ha desarrollado un gel coat en polvo para su aplicación en la fabricación de materiales compuestos mediante el proceso de RTM.

La primera patente que encontramos sobre un recubrimiento en polvo que se utiliza en técnicas de "in-mould coating" data de 1983 y es de DSM resins B.V. Ferro Corporation y Synres Almoco promocionaron intensivamente este material durante la década de los 90. Sin embargo, este tipo de recubrimientos se ha utilizado exclusivamente en la fabricación de materiales compuestos mediante SMC (sheet moulding compound). Este proceso consiste en el moldeo por compresión a alta temperatura (hasta 160ºC) de una mezcla de vidrio, resina, cargas, aditivos y sistema catalítico. Actualmente, el gel coat en polvo se aplica en este proceso para la obtención de fregaderos de cocinas, platos de ducha, bañeras...

Hasta ahora el gel coat en polvo estaba restringido a este proceso debido a la alta temperatura de curado necesaria para la formación del film (150-160ºC). A lo largo del proyecto ECOGEL se ha trabajado en la formulación de un gel coat en polvo con una temperatura de curado de 120ºC - 130ºC con el fin de poder aplicarlo en el proceso de producción de RTM.

El primer paso en la formulación del gel coat en polvo ha sido obtener una resina de poliéster insaturado en polvo que cumpla una serie de especificaciones respecto a temperatura de transición vítrea (Tg), tiempo de gel, estabilidad de almacenaje, viscosidad....

Una vez seleccionada la resina, se ha trabajado en la adición mediante compounding de distintos sistemas catalíticos y distintos tipos de cargas que han permitido la obtención de varias formulaciones de gel coat en polvo.

Entre todas ellas se han seleccionado las formulaciones que cumplen con las siguientes especificaciones:

• Pico de curado: 110-130 ºC
• Gel time: 20-60 s (a 120ºC)
• Tg = 40ºC

Además se ha desarrollado una formulación de gel coat en polvo con propiedades de conductividad eléctrica para su aplicación como primer en pintados electrostáticos. En este caso se ha añadido una especificación más; resistividad superficial = 10+5 O cm

Finalmente se han obtenido laminados de fibra de vidrio con gel coat en polvo que han sido ensayados, comparando los resultados obtenidos con los de un gel coat líquido de alta calidad (tabla 1).

Como podemos ver en la tabla 1, se ha conseguido una reducción de tiempos de curado de más del 80% con una reducción muy importante en las emisiones de estireno.

Después del proceso de polimerización la adhesión entre la capa del gel coat en polvo y el laminado es óptima tal y como puede observarse en el ensayo de corte por enrejado y en la imagen SEM (figura 1).

Respecto al desarrollo de gel coat en polvo con propiedades de conductividad eléctrica se utilizaron programas de simulación para obtener el umbral de conductividad de distintas cargas conductoras (figura 2).

Finalmente se selección la que proporcionaba mejores propiedades de conductividad eléctrica y obtuvo una formulación que cumplía con los requerimientos establecidos. Finalmente se fabricaron distintos laminados estructurales que han sido evaluadas mediante distintos ensayos (tabla 2).

En este caso si comparamos con un gel coat líquido conseguimos tiempos de reducción de ciclos de curado de hasta el 50%. Sin embargo, la reducción en coste y en tiempo es muchísimo mayor si comparamos los resultados obtenidos con el proceso de imprimación necesario para llevar a cabo el pintado electrostático de una pieza plástica. Actualmente si queremos pintar mediante pintura electrostática una pieza plástica es necesario proceder al desengrase de la pieza para eliminar el desmoldeante del proceso de fabricación y restos de suciedad o grasa adheridos a la superficie. Después, en algunos casos, se lleva a cabo el lijado de la pieza, para mejorar la adhesión entre el plástico y el sustrato. Finalmente se procede a la aplicación del primer conductor sobre el cual se llevará a cabo la última fase de pintado.

Por lo tanto podemos concluir que las principales ventajas que presenta la utilización de un gel coat en polvo en el proceso de fabricación de composites mediante RTM son:

1. Reducción de los tiempos de ciclo contribuyendo a optimizar el proceso de RTM para la fabricación de piezas en el sector de automoción.
2. Reducción de COVs debidos a la aplicación de gel coat.
3. Eliminación de la manipulación por parte de los trabajadores de productos tóxicos y/o peligrosos (sistemas catalíticos; peróxidos...).
4. Mayor control de la calidad ya que no es necesaria una manipulación por parte del trabajador (mezcla de resina y sistema catalíticos) para la polimerización del gel coat. Además se elimina la influencia de factores externos (humedad, temperatura ambiental...) en el curado del gel coat ya que este se controla mediante la temperatura del molde donde se aplica.
5. Mejora de la adherencia entre la capa final de acabado y el laminado estructural (presencia de enlaces químicos entre el gel coat y la resina de inyección debido a una polimerización conjunta de ambos materiales).
6. Reducción de costes en el pintado final mediante pintura electrostática (aplicada en el sector automoción).
7. Reducción de costes asociados al almacenaje de materias primas; se elimina la necesidad de almacenar los sistemas catalíticos. Lo que además implica una reducción en coste de energía ya que estos suelen conservarse refrigerados al tratarse de productos altamente inflamables.
8. Reciclado; el gel coat en polvo que no se deposita sobre el molde se puede recuperar mediante aspiración y puede volver a utilizarse.

Por otra parte dentro del proyecto se está trabajando en el diseño y fabricación de moldes de resinas calefactados eléctricamente que permitan alcanzar las temperaturas requeridas para la polimerización del gel coat en polvo y en el estudio de la compatibilidad del gel coat en polvo con distintos tipos de resinas de inyección (epoxi, vinilester, uretano-acrilato). El siguiente paso es la fabricación de dos demostradores; una pieza para el sector de la automoción y otra para el sector de equipamiento de agricultura. Actualmente se está trabajando en la fabricación de estos moldes y se prevé obtener las primeras piezas en marzo de 2016.

El proyecto ECOGEL-CRONOS es un proyecto Europeo que ha recibido subvención del 7º Programa Marco de la Unión Europea (FP7/2007-2013), bajo el acuerdo de subvención no. 609203. El consorcio del proyecto está constituido por 13 organizaciones europeas que incluyen, AIMPLAS, ECOINNOVA y CIDETEC en España, Composites Integration, AXON, FAR- UK, y NetComposites de Reino Unido, CLERIUM de Holanda, Indupol International N.V. de Bélgica, e-Xstream engineering de Luxemburgo, Universidad de Bielefeld (FHBI) en Alemania, KETEK en Finlandia, Megara de Grecia y Steel Belt Systems Powder Coating Division (SBS) de Italia.