Para que los bioplásticos se utilicen en los campos de la ingeniería eléctrica y la electrónica, deben cumplir requisitos de alta resistencia a la llama, al igual que los plásticos convencionales. Hasta ahora, no ha habido retardantes de llama de base biológica disponibles para su uso en la producción de bioplásticos.
En este contexto, los investigadores de Fraunhofer WKI y Fraunhofer IAP, en colaboración con socios industriales, han logrado un éxito inicial en el desarrollo de retardantes de llama de base biológica en bioplásticos.
En el futuro, por lo tanto, podría ser posible utilizar plásticos en ingeniería electrónica y eléctrica que consisten en materiales 100% de base biológica. En el marco del proyecto de investigación, se probó el procesamiento mediante compuestos, moldeo por inyección y fabricación aditiva.
Probado recientemente: la reticulación por haz de electrones une los retardantes de llama al PLA
Para una retardación de llama óptima, la distribución homogénea de los retardantes de llama en la matriz de biopolímero PLA es esencial. El acoplamiento con la matriz de biopolímero debe lograrse a través de retardantes de llama reactivos especialmente desarrollados.
La reticulación por haz de electrones se adoptó como un nuevo procedimiento para unir los retardadores de llama a la matriz. Se trata de un proceso no térmico muy utilizado en el tratamiento de plásticos, pero que hasta ahora rara vez se ha aplicado a los bioplásticos.
Un socio de la industria, Hager Electro, produce un adaptador flexible hecho de PBS ignífugo como demostración de tecnología.
En este caso, las propiedades de los polímeros se modifican desencadenando reacciones de reticulación y acoplamiento que pueden controlarse mediante la dosis de irradiación. En las pruebas, también en el socio industrial BGS Beta Gamma Service, se demostró que un aditivo es efectivo en el que la reacción de reticulación del PLA supera de manera verificable la degradación causada por el haz de electrones. También se probaron exhaustivamente otros aditivos.
Los resultados mejoran el conocimiento de los investigadores sobre los aditivos, algunos de los cuales se utilizaron por primera vez, así como los procedimientos involucrados en el procesamiento de plásticos y los efectos de la irradiación.
En la síntesis de nuevos retardantes de llama libres de halógenos basados en alcoholes de base biológica y compuestos que contienen fósforo, el enfoque en la producción de fosfatos completamente esterificados demostró ser prometedor.
Tras los ensayos de optimización, se realizó el compounding con PLA, a partir del cual se desarrolló una formulación para la producción de compuestos PLA ignífugos. Las pruebas de inflamabilidad de acuerdo con UL94 dieron como resultado una clasificación muy buena (V-0) con un espesor de muestra de prueba de 1,6 mm.
Ensayos de retardantes de llama convencionales: Compounding con PLA y PBS
Los investigadores también realizaron pruebas en la composición de biopolímeros no reforzados y biopolímeros reforzados con partículas de madera con retardantes de llama libres de halógenos, actualmente disponibles. Pudieron determinar que estos son adecuados desde el punto de vista del procedimiento para PLA y PBS de base biológica como polímeros base.
En el procesamiento de PLA, se requiere el uso de un molde calentable para lograr altas cristalinidades y, en consecuencia, alta estabilidad térmica en los componentes. Además de un buen retardo de llama, la estabilidad térmica es un criterio importante para la aplicación.
El equipo logró desarrollar formulaciones para PLA y PBS que cumplen, en gran medida, los requisitos de retardo de llama en las aplicaciones de destino y que pueden procesarse mediante moldeo por inyección y fabricación aditiva. Esto se demostró a través de varias pruebas, incluidas UL94, pruebas de hilo incandescente y pruebas de resistencia de seguimiento.
Los bioplásticos ignífugos podrían procesarse para crear componentes para ingeniería eléctrica y electrónica mediante, por ejemplo, moldeo por inyección (biogránulos) y fabricación aditiva (biofilamentos).
Los resultados de procesamiento obtenidos a través del moldeo por inyección en los socios industriales participantes son alentadores. Fue posible fabricar componentes y piezas técnicas ignífugas, como adaptadores flexibles para cajas de interruptores y contenedores de almacenamiento del sector logístico, en condiciones cercanas a la producción. Para los materiales a base de PBS, los tiempos de ciclo se encuentran dentro de un rango comparable al de los plásticos a base de petróleo que se utilizan en la actualidad.
En los experimentos con la adición de partículas de madera, los investigadores pudieron demostrar además que estas tienen una influencia positiva en el rendimiento ignífugo.
Las tasas de liberación de calor se redujeron significativamente mediante la adición de madera. Simultáneamente, sin embargo, hubo un acortamiento de los tiempos de encendido. Para compuestos de PLA cristalizados, ignífugos y reforzados con fibra de madera, se verificó una estabilidad térmica máxima de 140 °C a 160 °C.
Pruebas de retardantes de llama en compuestos con Bio-PA
Además, los científicos desarrollaron formulaciones ignífugas basadas en bio-PA para moldeo por inyección. Las formulaciones cumplieron con la clasificación V-0 (1,6 mm de espesor) en la prueba UL94 y, en comparación con los materiales de referencia, cumplieron en gran medida los requisitos con respecto a la prueba de hilo incandescente y para la resistencia al seguimiento (CTI).
La reticulabilidad de tres grados de Bio-PA ignífugos se investigó por primera vez en la irradiación de electrones. Se encontró que el grado Bio-PA PA6.10 es el más reticulable y el grado Bio-PA PA11 el menos. Los investigadores también pudieron demostrar aquí que la adición de partículas de madera tiene como resultado una influencia positiva en el rendimiento ignífugo.
Al igual que en los experimentos con PLA y PBS, las tasas de liberación de calor se redujeron mediante la adición de madera, con una reducción simultánea de los tiempos de ignición. Para casi todas las formulaciones basadas en PA, la irradiación provocó un aumento en la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad, así como una reducción en la resistencia al impacto con muescas.
“Hasta ahora, las formulaciones a base de Bio-PA solo se han procesado a pequeña escala en el laboratorio de compuestos y minimoldeo por inyección. Por lo tanto, se requiere más investigación para descubrir cómo se puede lograr el procesamiento utilizando extrusoras de doble tornillo y en moldeo por inyección”, concluyó el Dr. Arne Schirp, Gerente de Proyectos en Fraunhofer WKI.
“La optimización de los compuestos ignífugos a base de PA también debe llevarse a cabo con respecto a toda la gama de requisitos de los sectores de la ingeniería eléctrica y la electrónica”.
