Avances en la recuperación y valorización de fibras técnicas de refuerzo para la obtención de composites

El proyecto Osiris ‘cooperación estratégica en tecnologías para la economía circular de composites y de materiales plásticos complejos de alto valor añadido’, está coordinado por la Fundación Gaiker, junto a Aitex (Centro de Investigación e Innovación), Fundación Cidaut (Fundación para la Investigación y Desarrollo en Transporte y Energía), y Aimplas (Asociación de investigación de materiales plásticos). La red está formada por la unión de investigadores y equipamientos que se complementan entre los distintos centros, cubriendo toda la cadena de valor dentro de los sistemas para reciclado y valorización de residuos, de materiales compuestos y materiales plásticos complejos.

La aprobación del proyecto y financiación por parte del CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial), a través del Ministerio de Ciencia e Innovación, dentro del programa de ayudas ‘Cervera Centros’ otorga a Aitex, Fundación Cidaut, Fundación Gaiker y Aimplas, el reconocimiento y la acreditación como ‘Centros Tecnológicos de Excelencia Cervera’ en ‘Economía Circular’ aplicada al reciclado de composites y plásticos de difícil reciclabilidad, con expediente CER-2021009.

El principal objetivo de la alianza estratégica es fomentar la capacidad de colaboración de los centros con los distintos agentes, especialmente transfiriendo el conocimiento a las empresas, y desarrollar proyectos de investigación tanto a nivel nacional como internacional en el ámbito de la economía circular.

Hoy en día, los materiales compuestos y plásticos complejos son materiales de alto valor añadido. Sin embargo, la circularidad de estos materiales aún está lejos de convertirse en una realidad. La falta de reprocesabilidad y la dificultad para reparar y reciclar materiales compuestos aumenta de forma significativa su coste, al tiempo que causa graves problemas medioambientales.

La red Osiris pretende alcanzar un nuevo modelo de producción y consumo que reduzca al mínimo la generación de residuos y se aprovechen con el mayor alcance posible los que no se pueden evitar. En este sentido, se señalan tres ejes estratégicos: el desarrollo de tecnologías de reciclado, la valorización de los materiales obtenidos en productos intermedios y el procesado de estos en demostradores que validen las tecnologías aplicadas y promuevan la incorporación de material reciclado en sustitución de recursos fósiles, favoreciendo la circularidad.

Revalorización en refuerzos y textiles

El objetivo de revalorización en refuerzos y textiles, enmarcado en el segundo eje estratégico del proyecto, se centra en la revalorización de fibras técnicas de altas prestaciones como las fibras de carbono (rCF) y vidrio (rGF) provenientes de residuos pre-consumo y post-consumo de la industria de producción y transformación de composites o materiales compuestos.

En este sentido, desde AITEX se está investigando la viabilidad de generar artículos textiles intermedios para la fabricación de composites cuyo principal objetivo es la revalorización de las fibras técnicas (cortadas) y obtenidas tras procesos de reciclado de materiales compuestos. Este estudio, se ha ampliado con la optimización de procesos de sizing que permitan compatibilizar las fibras de refuerzo recuperadas con distintas matrices termoplásticas, así como la obtención de artículos intermedios como: hilados, cintas, tejidos y tejidos no-tejidos procedentes de estas materias recuperadas.

Tras la identificación, adaptación y optimización de los procesos textiles de apertura de fibra, cardado e hilatura, desde AITEX se están llevando a cabo diversas investigaciones para obtener materiales híbridos en forma hilo (fibra de carbono – fibra termoplástica) y materiales híbridos en forma no-tejido (fibra de carbono o vidrio y fibra termoplástica).

Tras diversas investigaciones el resultado obtenido se divide en:

1) Hilos híbridos de fibra de carbono reciclada y fibra termoplástica (PA6). La adaptación de procesos textiles tradicionales como el cardado y la hilatura han permitido la obtención de hilados híbridos con porcentajes de fibra de carbono reciclada cercanos al 50% y con la mínima degradación posible de la longitud de la fibra de carbono empleada. Estos hilados, mediante un proceso de tejeduría adaptado a esta tipología de fibra se han transformado en tejidos híbridos aptos para la obtención de composites termoplásticos.

En paralelo, se está estudiando la compatibilización de las fibras de carbono recicladas con las fibras termoplásticas mediante procesos de silanización. Además, se realiza la caracterización de sus propiedades mecánicas respecto a sus homólogos de fibra de carbono virgen y se estudia la posibilidad de combinar filamentos de fibra de carbono virgen en ciertas direcciones del tejido junto con las fibras recicladas para aplicaciones con requerimientos mecánicos determinados, no alcanzables únicamente con fibras recicladas.

Esta investigación permitirá la utilización de polímeros termoplásticos técnicos de altas prestaciones como PPS, PEEK, PEI…, la utilización de fibras de refuerzo naturales, el uso de matrices termoplásticas de origen bio y/o compostables, así como la compatibilización de estos intermedios textiles para su posible uso con resinas termoestables, las cuales son necesarias para ciertas aplicaciones finales que no permiten la utilización de polímeros termoplásticos como matriz del composite.

2) Obtención de mats (tejidos no-tejidos) de fibras técnicas recuperadas. En segundo lugar, mediante la optimización de tecnologías de apertura, mezclado, cardado y consolidado de fibras se han desarrollado diversos mats (tejidos no-tejidos) a partir de fibras técnicas de origen reciclado como: fibra de carbono, fibra de vidrio, para-meta aramidas y fibras naturales (aptas para biocomposites). Esta tecnología permite la obtención de velos de fibras de matriz termoplástica y fibras de refuerzo recicladas para su utilización en la obtención de composites termoplásticos isotrópicos aptos para su uso en diversas aplicaciones como: piezas con geometrías complejas, rellenos y paneles con bajos requerimientos mecánicos, entre otros.

Diseño e implementación de tecnologías de reciclado termo-mecánico de materiales compuestos textiles (residuos textiles)

En este objetivo estratégico del proyecto Osiris, bajo el liderazgo de Aitex, se está estudiando la implementación de la tecnología de reciclado termo-mecánico de residuos textiles y su funcionalización. Todo ello teniendo en cuenta las nuevas tecnologías de diseño de producto, la normativa vigente y el actual sistema de recogida de residuos textiles con el fin de aumentar el grado de reciclaje de estos residuos y disminuir las emisiones de CO₂.

La fase inicial del estudio se ha llevado a cabo mediante el estudio de la recogida, separación y clasificación de residuos textiles municipales con la finalidad de definir el plan de acción que mayor impacto represente sobre el reciclaje de esta tipología de residuos. En concreto, se estudiaron 500kg de residuos textiles procedentes de 3 barrios con diferente poder adquisitivo en una de las principales ciudades de España.

Los principales datos obtenidos tras la realización del estudio mediante técnicas de espectroscopia infrarroja han permitido obtener un perfil característico de los residuos textiles recuperados:

• El porcentaje de prendas multicapa recogida se encuentra en valores cercanos al 10% del total.
• El porcentaje de prendas monocapa de un único material se sitúa alrededor del 75% de las prendas, y el 25% de estas son monocapa con mezcla de fibras.
• Las fibras predominantes en las prendas monocapa mezcla y pura son 40-50% algodón y 30-40% poliéster, la poliamida, lana y acrílicas representan en su conjunto un 20-30% del total.

Diseño y definición de tecnologías de reciclado termo-mecánico. A partir del estudio realizado en la fase inicial, y teniendo en cuenta las importantes limitaciones del reciclado termo-mecánico y su implementación en el sector textil debido a su elevada sensibilidad a ratios de contaminación relativamente bajos, se han caracterizado y diseñado distintos métodos de recuperación para los materiales sintéticos más utilizados por la industria, el poliéster (PES) y poliamida (PA).

En el caso de los textiles de poliéster (PES), este método presenta ciertas desventajas debido al deterioro de las propiedades del producto en cada ciclo. Esto ocurre a causa de las reacciones de escisión provocadas por el calor de fusión, el estrés mecánico y la presencia de agua y trazas de impurezas ácidas. Por tanto, para lograr un buen reciclado de este material se ha estudiado el uso de extensores de cadena mediante el proceso de extrusión reactiva. Con ello se obtiene un aumento del peso molecular del polímero y de su viscosidad intrínseca (IV) mejorando con ello su reprocesabilidad en procesos textiles de hilatura por fusión.

Este proyecto está financiado por el CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial), a través del Ministerio de Ciencia e Innovación, en el marco de ayudas destinadas a Centros Tecnológicos de Excelencia ‘Cervera’. Expediente: CER-20211013