Nuevo sistema de aplicación para recubrimientos innovadores sol-gel para el sector aeronáutico

Dra. Ana Valero Gómez, Unidad de Tecnologías Químicas-Aimme, Dra. Antonia Jiménez Morales, Grupo de Tecnología de Polvos-Univ. Carlos III de Madrid, Francisco de la Vega Náñez, gerente de Galvatec Tratamientos Superficiales04/02/2014

El desarrollo de nuevos sistemas protectores contra la corrosión, sostenibles con el medio ambiente y con propiedades altamente adherentes que aseguren su durabilidad, es uno de los principales objetivos en el sector aeronáutico. Esta situación viene motivada principalmente tanto a regulaciones medioambientales [1-2], como a los altos costes de mantenimiento asociados [3], así como los costes de seguridad laboral y gestión medioambiental que conlleva dicho mantenimiento [4-5].

Los resultados del proyecto GreenGELAIR proporcionarán un nuevo sistema de aplicación de recubrimientos innovadores al sector aeronáutico. Este sistema, basado en desarrollos sol-gel, será respetuoso con el medio ambiente y obtendrá altas prestaciones en cuanto a adhesión y protección contra la corrosión del aluminio. Además un nuevo y versátil dispositivo de aplicación, específico para este innovador recubrimiento, será diseñado y construido facilitando su utilización tanto para operaciones de mantenimiento, MRO, como en la fabricación de nuevos equipos, OEM.

Sistemas de pintura sobre aluminio en el sector aeronáutico

Los sistemas actuales de protección contra la corrosión en el sector aeronáutico se basan en sistemas de pintura multicapas. Estos sistemas, tradicionalmente, se basan en un pretratamiento realizado sobre el aluminio consistente en una capa de conversión química que contiene cromatos, a continuación se le añade una primera capa orgánica o primario (primer) con inhibidores de la corrosión y promotores de adhesión cuya función es la unión entre el metal y el sistema de pintura. Tras este primario, los sistemas de pintura pueden contener distintas capas sucesivas. Para las partes exteriores del avión es habitual encontrar sistemas con una capa secundaria y un acabado o top-coat mientras que para las partes interiores del avión la capa intermedia no se suele utilizar. La última capa se basa en polímeros tipo poliuretano que proporcionan propiedades barrera al sistema así como estéticas. La función final del sistema de pintura es prevenir y retardar los efectos agresivos del medio sobre el metal.

Actualmente las principales compañías aeronáuticas han desarrollado alternativas a dichos pretratamientos crómicos. Entre las diversas alternativas existentes caben destacar el proceso TSA (Tartaric Sulphuric acid Anodising) desarrollado por AIRBUS, o el BSA (Boric Sulphuric Acid Anodising) desarrollado por Boeing. Ambos son procesos electroquímicos que no son posibles de utilizar en las operaciones de mantenimiento y reparación (MRO) o en retoques en línea de producción. En estos casos todavía es habitual utilizar productos en base cromo, principalmente Alodine^TM, aplicado en stick para superficies muy pequeñas.

Por otra parte, entre los procesos no electroquímicos alternativos, cabe destacar el sistema Boegel desarrollado por Boeing y basado en procesos sol-gel o el proceso PreKote desarrollado por Pantheon Chemical e implementado por Dassault Aviation basado en sistemas orgánicos bipolares.

La alternativa que se está llevando a cabo en el proyecto GreenGELAIR se basa en el desarrollo de un nuevo y competitivo recubrimiento híbrido sol-gel que mejore las prestaciones de los actuales procesos. Los sistemas híbridos sol-gel presentan la elasticidad de los sistemas orgánicos y la resistencia química y propiedades mecánicas de los inorgánicos. Los esqueletos formados por enlaces Si-O tienen una energía de enlace de 445 Kj/mol más alta que la de los enlaces de los polímeros convencionales con enlaces C-C con una energía de 358 Kj/mol [6-8]. Esto conlleva a una mayor resistencia química, ya que se necesita una mayor energía para romper el enlace, aumentando la durabilidad del recubrimiento así como la resistencia a la degradación atmosférica, al calor y a la radiación UV que los sistemas orgánicos como son los polímeros.

En el proyecto se testearán dos sistemas de pintura, con y sin sistema primario. Este último como alternativa a las pinturas interiores en aviones.

Figura 1. Esquema de los nuevos sistemas de pintura que se estudian en GreenGELAIR basados en recubrimientos innovadores híbridos sol-gel con y sin capa primaria.

Proyecto GreenGELAIR – Programa Clean Sky 7PM

Los principales objetivos del proyecto son el desarrollo de la formulación de un nuevo y competitivo producto sol-gel así como el desarrollo de un innovador y versátil sistema para su aplicación tanto en operaciones de mantenimiento, (MRO) como en fabricación de piezas originales, (OEM). La ejecución del proyecto permitirá obtener una alternativa más ecológica en el proceso de pintado de aviones. Los principales objetivos del mismo se muestran en la siguiente figura.

Figura 2. Objetivos del Proyecto GreenGELAIR.

Aimme, como líder del proyecto, cuenta con el apoyo de la Universidad Carlos III de Madrid, UC3M como socio tecnológico y experto en desarrollo de productos sol-gel que aumentan la adherencia en pinturas sobre sustratos metálicos. También cuenta con la empresa Galvatec como socio experto en operaciones tanto de MRO como de OEM en el sector aeronáutico. El promotor del proyecto es la empresa francesa Dassault Aviation y cuenta con la financiación del 7º Programa Marco y la iniciativa conjunta Clean Sky 2013.

Interior de la cabina de pintado en Galvatec.

Estructura y etapas del proyecto

En la siguiente figura se muestra la secuencia de trabajo en las actividades de demostración para validar el producto sol-gel y su dispositivo de aplicación desarrollado en el proyecto:

Figura 3. Secuencia de trabajo en la fase de demostración del proyecto.

El proyecto se estructura en cuatro fases técnicas relacionadas entre sí como aparece en la Figura 4.

Figura 4.

En la primera fase se define la formulación y estudio cinético de los productos sol-gel innovadores con altas prestaciones de adherencia así como propiedades anticorrosivas. En paralelo con dicha fase se realiza el diseño del dispositivo de aplicación ajustado al proceso químico desarrollado. A continuación en una tercera fase se ajustan las variables operativas del dispositivo al proceso químico y a las condiciones de aplicación en la industria. También se comprueba la estabilidad del producto fabricado con el dispositivo y su reproducibilidad en el escalado. La última fase tiene como objetivo validar tanto el producto como el dispositivo de aplicación. Para ello se llevan a cabo la secuencia de aplicación de los recubrimientos descritos en la Figura 3. Además, se realizan sobre dichas aplicaciones distintos ensayos de propiedades de adherencia y protección contra la corrosión de estos sistemas sol-gel sobre distintas tipologías de piezas comparándolos con sistemas de recubrimientos actuales.

Representación esquemática de las reacciones de polimerización en la creación de redes híbridas sol-gel.[A.A. El Hadad et al, Colloid Polym Sci (2011) 289:1875–1883].

Grado de innovación

El sistema sol-gel propuesto será versátil y competitivo, minimizando las operaciones de mantenimiento y costes y eliminando los problemas medioambientales de los sistemas actuales. Los resultados del proyecto son de aplicación directa en el sector aeronáutico aunque también podrán ser aplicados en otros sectores con procesos de tratamiento de superficies similares, como pueden ser el automovilístico o el de mantenimiento industrial. Este proyecto ha recibido financiación del séptimo programa marco (FP72007-2013) dentro del programa de la Iniciativa Conjunta CleanSky bajo concesión de contrato n ° 620136. El promotor del proyecto es la empresa francesa Dassault Aviation.

Bibliografía

[1] Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals-Reglamento REACH EC nº1907/2006, http://ec.europa.eu/environment/chemicals/reach/reach_intro.htm

[2] OSHA, Occupational Safety and Health Administration. http://www.osha.gov/SLTC/hexavalentchromium/index.html

[3] Report of the Ad Hoc Committee on Life Extension and Mission Enhancement for Air Force Aircraft, Vol. 1, Executive Summary, US Air Force Scientific Advisory Board Report No. SAB-TR-94-01, Washington, DC, 1994

[4] Y.Joshua Du et al. Progress in Organic Coatings 41 (2001), 226-232.

[5]Directiva 2004/42/CE relativa a la limitación de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) debidas al uso de disolventes orgánicos en determinadas pinturas y barnices.

[6] J.M. Keijman, Properties and use of inorganic polysiloxane hybrid coatings for the protective coatings industry, in: 2as Jornadas da Revista Corrosao e Proteccao de Materiais, Lisbon, November, 2000.

[6] N.R. Mowrer, Performance Coatings and Finishes, Polysiloxanes, Ameron International, 2003, November.

[7] J.M. Keijman, High Solids Coatings: Experience in Europe and USA, in: Proceedings Protective Coatings Europe Conference, Paper 40, The Hague, The

Netherlands, March, 1997.