1 Introducción
Las exigencias de la economía actual por el uso de tecnologías verdes y sistemas sostenibles, acompañado por la sensibilización cada vez más creciente sobre la reducción de la huella de carbono, ha hecho que sectores tales como la industria de los polímeros, que tradicionalmente son usuarios de derivados de productos petroquímicos, hayan enfocado sus esfuerzos en el desarrollo de tecnologías y portafolios a partir de materias primas de fuentes renovables y/o reciclables.
En el caso de las resinas termoestables, se pueden identificar dos factores principales que han impulsado el desarrollo de tecnologías sostenibles. El primero es la exigencia incremental de mercado por la disponibilidad de resinas más amigables con el medio ambiente y el segundo factor son las nuevas tecnologías para la biorefinación que permiten la obtención de monómeros para la fabricación de resinas. Sin embargo, para acelerar el crecimiento de estas resinas, se necesita más tecnología para incrementar la variedad de monómeros provenientes de biorefinación a bajo costo, dificultades que se espera queden resueltas en poco tiempo. [1]
Las resinas de poliéster insaturado, se componen de un polímero insaturado de bajo peso molecular diluido en un solvente reactivo (por ejemplo estireno monómero), las cuales al ser curadas, desarrollan dureza y se transforman en polímeros termoestables. Las tecnologías sostenibles en las resinas de poliéster insaturado comprenden principalmente tres vertientes:
- Contenido de materias primas de fuentes renovables, tales como la caña de azúcar, maíz, soya, lignocelulosa, proteínas y algas.
- Sustitución parcial o total de estireno mónmero, y
- Contenido de materias primas reciclables, tales como polietilen tereftalato (PET), el cual es un poliéster saturado perteneciente a la familia de los polímeros termoplásticos, ampliamente utilizado en la industria textil y en la fabricación de envases.
Estas tecnologías permiten reducir la dependencia de productos petroquímicos y obtener un perfil más favorable de ciclo de vida en comparación con las resinas tradicionales.
En Colombia, la empresa Andercol S.A.S. recicla botellas de poli etilen tereftalato (PET) para ser usadas como materia prima de las resinas de poliéster insaturado (UPR) con viabilidad técnico-económica a nivel comercial. Desde hace varios años es posible asegurar la cadena de recolección, tratamiento y suministro de botellas de PET con la calidad requerida. Para esto fue necesario un proyecto social llevado a cabo entre Andercol S.A.S. y la Fundación Pintuco (antes Fundación Orbis), logrando la consolidación de pequeñas y medianas empresas (PYMES) en ciudades como Medellín, Cartagena y Barranquilla. Sólo en Medellín, alrededor de 250 familias de bajos recursos han trabajado como proveedores en esta cadena de suministro. Además, a través de un convenio entre el Andercol y el Servicio Nacional de Aprendizaje de Colombia (SENA), se implementaron cursos de capacitación a
propietarios y administradores de plantas de transformación de PET reciclado.
En estos cursos se trataron temas como infraestructura, manejo ambiental, seguridad industrial, proceso productivo, control de calidad, y fundamentos en manejo tributario y administrativo. De esta manera se estructuró una industria que tenía un gran porcentaje de componente artesanal. En la Figura 1 se muestra cuál es la cadena de suministro del PET reciclado en Colombia.
Fuente: Adaptado de “Sostenibilidad. Informe Anual 2012. Inversiones Mundial S.A.” [2]
2 Utilización de PET reciclado en las resinas Ecoline®
En los últimos años, el PET reciclado ha cobrado un papel relevante en la región para la fabricación de resinas de poliéster insaturado, usando un proceso químico de depolimerización como el que se muestra en la Figura 2
| |
| (PET) | (Mezcla de glicoles y otras sustancias) |
|
+ glicoles + otros subproductos | |
| (Ácido tereftálico) | (Oligómeros de PET) | |
Una vez obtenidos los productos de la depolimerización, se inicia un proceso de esterificación usando monómeros verdes y anhídrido maleico, siendo este último el que aporta las insaturaciones de las cadenas de poliéster para obtener finalmente una línea de resinas CRISTALAN® con un contenido de más del 20% en peso entre materia prima reciclada a las que se les ha llamado Ecoline®. [3-5]
Mediciones realizadas a una resina para masillas plásticas de la línea Ecoline® permitió cuantificar una reducción del 66% en la huella de carbono frente a la resina convencional de otros fabricantes [6]. Por otro lado, el proceso de producción de resinas cuenta con un sistema de postcombustión que permite el control de olores y la disminución de las aguas residuales. Esta postcombustión disminuye el impacto ambiental generado por las emisiones gaseosas y las aguas de reacción, logrando una disminución del 84% en la generación de olores.
Diversos análisis realizados al interior de Andercol S.A., mostraron que las resinas Ecoline® contaban con propiedades mecánicas comparables a las resinas convencionales, alta humectación y compatibilidad con fibra de vidrio y aceptación de cargas tales como CaCO3, talco, arena, cuarzo y poliéster molido, en más de un 70 % en peso a temperatura ambiente, lo que las hace atractivas para diferentes procesos y aplicaciones.
2.1 Resultados sociales, ambientales y comerciales
Hoy Andercol ha logrado consumos de alrededor de 10.000 botellas de PET por cada tonelada de UPR, permitiendo reducir la contaminación en los rellenos sanitarios en más de 11.000 ton de PET por año. El Departamento de Investigación y Desarrollo (I+D) de Andercol logró usar PET reciclado para desarrollar la línea de resinas de poliéster insaturado Ecoline®, como una línea más sostenible que las ya tradicionales resinas CRISTALAN®. Los análisis mecánicos, térmicos, dinámico-mecánicos mostraron que es posible lograr propiedades comparables a las resinas convencionales, todo esto a un menor coste. Es por esto que las resinas Ecoline® son usadas hoy en aplicaciones como carrocerías, tuberías de alto diámetro y postes para alumbrado y electrificado, siendo estos últimos fabricadas por el método de enrollamiento de filamentos (filament winding).
3 Uso de las resinas Ecoline® en los procesos de fabricación de materiales compuestos
Cerca del 90% de los materiales compuestos poliméricos producidos se fabrican a partir fibra de vidrio y de resina de poliéster insaturado. Los procesos de fabricación de estos materiales pueden clasificarse en dos grandes grupos: moldeo abierto y moldeo cerrado. En el caso del moldeo abierto la pieza que se fabrica se encuentra expuesta a la atmosfera durante el proceso de fabricación. Por otra parte, en el moldeo cerrado, la pieza es fabricada en un molde compuesto por dos partes o con una bolsa de vacío, por lo cual la pieza no está en contacto directo con la atmosfera. A continuación se describen las ventajas que presenta la línea de resinas Ecoline® en cada uno de ellos y los procesos que agrupa.
3.1 Moldeo cerrado
Dentro de esta clasificación se encuentran procesos tales como los procesos por compresión Sheet Molding Compound-SMC, Bulk Molding Compound-BMC y Liquid Composite Molding-LCM [7], pultrusión, moldeo por transferencia de resina, y laminación continua. Estos procesos involucran generalmente la inyección de resina, por lo que factores tales como la baja viscosidad y una adecuada reactividad, combinado con un adecuado balance mecánico de rigidez y resistencia se vuelven críticos.
Dentro de la línea de resinas Ecoline®, se han desarrollado productos enfocados en resolver las necesidades de estos procesos, es decir, resinas de baja viscosidad con un bajo contenido de estireno, lo que garantiza alta productividad gracias a un rápido llenado del molde, baja contracción volumétrica y buena humectación además de buenas propiedades mecánicas.
Las características del proceso anteriormente descritas, junto con el uso de resinas de la línea Ecoline®, garantizan productos altamente sostenibles, ya que existe una optimización de recursos energéticos, reducción de desperdicios y el uso de materias primas fabricadas a partir de fuentes renovables o reciclables.
3.2 Moldeo abierto
El moldeo abierto incluye procesos como laminación manual (hand lay-up), aspersión por pistola (spray lay-up), enrollamiento de filamentos (filament winding) y mármol sintético. Para este tipo de procesos la mayor ventaja que ofrece la línea de resinas Ecoline® es el rápido curado y excelente humectación que se traduce en aumento de productividad en procesos de transformación.
4 Aplicaciones de las resinas Ecoline®
El uso de materias primas provenientes de fuentes no petroquímicas, ha permitido a la industria de los materiales compuestos desligarse en buena proporción de la frecuente variación del precio del petróleo y sus derivados, que son altamente afectados por las condiciones macroeconómicas y del entorno, obteniéndose una posibilidad costo eficiente y rentable para todos los participantes en la cadena [8, 9].
El mercado desde México hasta Chile de las resinas de poliéster insaturado con materias primas renovables y/o reciclables, supera las 150.000 TPA y genera ingresos por más de USD$380 millones. Este mercado ha permitido que a nivel de la región se hayan presentado crecimientos significativos en los siguientes mercados:
4.1 Tuberías
El mercado de las tuberías representa por lo menos 10.000 TPA de materiales compuestos y ha presentado crecimientos constantes y positivos en la región en los últimos años. Las tuberías permiten llevar agua para consumo humano, riegos, centrales hidroeléctricas e incluso aguas residuales. Estas tuberías se pueden fabricar por el método de enrollamiento de filamentos, lo que garantiza una alta productividad y un óptimo balance de propiedades mecánicas y químicas, y además permiten superar las pruebas de corto y largo plazo, garantizando una vida útil de por lo menos 50 años. En las figuras 3 y 4 se muestran las propiedades mecánicas y de temperatura de distorsión bajo carga (Heat Distortion Temperature - HDT) comparativas entre las resinas diseñadas y fabricadas con PET reciclado vs su equivalente utilizando como ácido saturado el anhídrido ftálico (ortoftálico).
4.2 Postes
Aunque ésta es una aplicación emergente para el uso de resinas de poliéster insaturado, representó cerca de 8.000 toneladas en el 2018; un crecimiento mayor al 200% anual. En esta aplicación es posible lograr una rápida impregnación, alta compatibilidad con la fibra de vidrio, además del buen balance de propiedades difíciles de obtener con otras generaciones de polímeros. Es así como se puede garantizar un servicio seguro superior a 80 años, adicionando ventajas competitivas como el bajo peso, alto nivel de aislamiento y bajos costos de operación y mantenimiento con respecto a postes fabricados en otros materiales tales como concreto o acero.
Andercol realizó un estudio de Análisis de Ciclo de Vida (LCA por sus siglas en inglés) el cual como principal resultado se econtró un impacto significativamente menor de esta tecnología de postes en comparación con los materiales sustitutos como: metal, concreto (hormigón) y madera [10]. El estudio demuestra menores impactos en (ver Anexo 1, Tabla 2) :
• Emisiones de CO2 en el transporte
• Toxicidad humana
• Ocupación del suelo agrícola y del suelo urbano
En las figuras 5 y 6 se muestran las propiedades mecánicas y de HDT comparativas entre las resinas diseñadas y fabricadas con PET reciclado vs su equivalente utilizando como ácido saturado el anhídrido ftálico (ortoftálico).
.4.3 Elementos de construcción
Debido a la baja contracción de la resina en el proceso de fabricación, la alta compatibilidad con las cargas minerales y una versatilidad de diseño y proceso, se ha logrado tener desarrollos significativos en este segmento, además de competir en segmentos de mercado de materiales convencionales como el granito, mármol, cemento y similares.
4.4 Carrocerías
Las resinas de poliéster insaturado están siendo cada vez más utilizas en el diseño de componentes automotrices, llegando a integrarse en más de un 60% de componentes de la carrocería, los cuales además de cumplir las estrictas legislaciones, permiten a los ingenieros y diseñadores amplia versatilidad en formas y tamaños. Por lo tanto el uso de las resinas a partir de material renovable y reciclable tiene un gran potencial en esta aplicación, máxime las nuevas exigencias de sostenibilidad impuestas en el sector automotriz en países como Estados Unidos y países de la Unión Europea. Además de la alta capacidad de resistir los esfuerzos dinámicos (tenacidad) propios de una pieza automotriz, estas resinas permiten rapidez en el proceso de fabricación y la estabilidad dimensional requerida en esta aplicación.
En la Tabla 1 se hace una comparación entre las resinas estándar y las resinas Ecoline® en diferentes sectores.
| SECTOR | ESTÁNDAR | ECOLINE® |
| Tuberías | + | ++ |
| Postes | - | +++ |
| Carrocerías | + | ++ |
| Construcción | + | +++ |
Como se puede notar, existen sectores en lo que se ha podido lograr un valor agregado funcional de la tecnología Ecoline®, siendo el mayor beneficio el logrado en Construcción y Postes.
5 Conclusiones
• Las tecnologías sostenibles en las resinas de poliéster insaturado comprenden principalmente tres vertientes: Contenido de materias primas de fuentes renovables, contenido de materias primas reciclables y Sustitución del estireno.
• El concepto de sostenibilidad es uno de los pilares fundamentales de la filosofía de trabajo de Andercol S.A. en el Negocio Químico del Grupo Orbis. Esto ha llevado a Andercol a hacer especial énfasis en el desarrollo de productos con materias primas biorenovables y reciclables, además de un exhaustivo control y gestión de procesos y residuos. Un ejemplo de ello es el desarrollo de la línea Ecoline® de las resinas de poliéster insaturado CRISTALAN®, de las cuales al menos un 50% en peso se compone de PET reciclado y monómeros provenientes de aceites vegetales. Estas resinas cumplen satisfactoriamente las exigencias de los procesos de fabricación y los sectores de aplicación.
• Además de tener un componente social, las resinas ECOLINE® ofrecen ventajas técnicas superiores al mismo tiempo que se genera menor impacto ambiental al redicir el consumo de petroquímicos y darle mayor valor de rehuso al reciclado y así prolongar si vida útil o minimizar su diposición.
Referencias
[1]. Sloan, J. Green resins: Growing up. Composites Technology, 2011, vol 17, Issue 5, p 34. http://www.compositesworld.com/articles/green-resins-growng-up (consultada en junio 20 de 2014).
[2]. Sostenibilidad. Informe Anual 2011, 2012 y 2013. Inversiones Mundial S.A. http://www.grupo-orbis.com/fundacion-orbis-top (consultada en julio 5 de 2014).
[3]. Oldring, P. y Hayward, G. Resins for Surface Coatings. En: SITA Technology 203 Gardiner House; Londres, 1987.
[4]. Vásquez, A; Contreras, E.; Sánchez, A.; Muñoz, J. y otros. Degradación Hidrolítica del Polietilen-Tereftalato (PET). Revista Colombiana de Materiales. 2014, 5, 100-105.
[5]. Ramírez, A.; Navarro, L. y Conde, J. Degradación Química del Poli(etilentereftalato), Revista Colombiana de Química.2010, 39, 3, 321-329.
[6]. Informe Medición de Huella de Carbono de una Resina Poliéster Insaturado para masillas. Andercol S.A. Medellín, 2012.
[7]. European Alliance for SMC/BMC. Design for Success. A Design & Technology Manual for SMC/BMC, 2005.
[8]. Henry, C.; Uwe, L. y Yosuke, I. En: CEH Marketing Research Report, Chemical Economics Handbook-SRI Consulting. Unsaturated Polyester Resins, Enero de 2009.
[9]. Documento reportado por ALMACO. Performance of Thermoset Composites Industry in Brazil 2013. Source of Data: Maxiquim. Febrero de 2014.
[10]. Informe del Análisis de Ciclo de Vida para postes de distribución de energía eléctrica. Andercol S.A.S. Medellín, 2015.
Anexo 1.
| Impactos ambientales | Unidad | PRFV | Metal | Madera | Concreto |
| Cambio climático | kg CO2eq | 215 | 1570 | -97.8 | 1310 |
| Agotamiento de la capa de ozono | kg CFC-11 eq | 1.86x10-5 | 4.47x10-5 | 6.75x10-5 | 0.000189 |
| Acidificación terrestre | kg SO2eq | 1.29 | 10.6 | 2.14 | 5.61 |
| Eutrofización agua dulce | kg P eq | 0.042 | 0.249 | 0.0486 | 0.113 |
| Eutrofización agua marina | kg N eq | 0.101 | 0.337 | 0.232 | 0.397 |
| Toxicidad humana | kg 1,4-DB eq | 108 | 538 | 137 | 218 |
| Formación de oxidantes fotoquímicos | kg NMVOC | 1.02 | 3.96 | 4.35 | 4.38 |
| Formación de material particulado | kg PM10 eq | 0.957 | 2.66 | 1.37 | 2.14 |
| Eco-toxicidad terrestre | kg 1,4-DB eq | 0.0306 | 0.0889 | 0.13 | 0.0956 |
| Eco-toxicidad agua dulce | kg 1,4-DB eq | 1.82 | 18.6 | 3.34 | 10.9 |
| Eco-toxicidad marina | kg 1,4-DB eq | 1.77 | 18 | 3.85 | 10.2 |
| Radiación | kg U235 eq | 18 | 41.3 | 32.1 | 82.2 |
| Ocupación del suelo agrícola | m2 | 5.43 | 11.3 | 6.38 | 11.9 |
| Ocupación del suelo urbano | m2 | 2.46 | 9.14 | 21.1 | 16.2 |
| Transformación del suelo natural | m2 | 0.0307 | 0.0928 | 0.134 | 0.392 |
| Agotamiento del agua | m3 | 2.69 | 28.1 | 1.47 | 11.4 |
| Agotamiento de metales | kg Fe eq | 10.5 | 409 | 17.6 | 121 |
| Agotamiento de combustibles | kg oil eq | 75.9 | 114 | 416 | 413 |
Document information
Published on 30/04/22
Accepted on 30/04/22
Submitted on 30/04/22
Volume 03 - Comunicaciones Matcomp17 (2019), Issue Núm. 4 - País invitado: Colombia. Materiales Multifuncionales. Reciclaje y Sostenibilidad, 2022
DOI: 10.23967/r.matcomp.2022.04.002
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