Tanques de combustible hechos con plástico de alta barrera

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Desde mediados de la década de los ochenta la industria automotriz comenzó a sustituir los tanques de combustible convencionales, en acero recubierto con terne, con tanques de combustible en plástico moldeado por soplado (TPMS). Las razones para cambiarse a los TPMS son su menor peso, mayor resistencia al impacto, menor riesgo de explosión en choques de alto impacto, resistencia a la corrosión y eficacia y flexibilidad en la utilización del espacio. Ya en 1993, los TPMS habían capturado 75% del mercado de automóviles en Europa y aproximadamente 25% del mismo mercado en Estados Unidos. Este artículo le ofrece una visión general del mercado automovilístico norteamericano, la tecnología de los TPMS y el ingrediente clave que los compone: las resinas de barrera de EVOH.

Mercado automovilístico norteamericano

Definición de las necesidades del mercado.
Comprender las necesidades y las fuerzas que mueven el mercado automovilístico norteamericano es indispensable para comprender el futuro del mercado global de los automóviles. Esto, porque las regulaciones del gobierno en Estados Unidos en lo referente a los automóviles y la protección ambiental es una de las más exigentes del mundo.

La protección del medio ambiente es la principal fuerza que impulsa el cambio de los tanques de combustible en acero por los TPMS. Los tanques tradicionales en acero terne se recubren en el interior con una capa de estaño y plomo para que resistan la corrosión del acero que producen los combustibles con base en hidrocarburos. En el pasado estos tanques brindaban una barrera satisfactoria a los combustibles producidos 100% con base en hidrocarburos. Sin embargo, muchos gobiernos han aprobado leyes que requieren el uso de combustibles oxigenados para ayudar a proteger el medio ambiente de los altos niveles de monóxido de carbono y emisiones urbanas producidos por la combustión incompleta del combustible de los automóviles. Los aditivos típicos que se utilizan para aumentar el contenido de oxígeno de los combustibles con base en hidrocarburos son metanol, etanol y MTBE (metil-butil éter). Estos aditivos para combustible atacan y deterioran el recubrimiento de terne en los tanques tradicionales de acero y producen vapores de estaño y plomo que se introducen en el escape del automóvil. Afortunadamente, los TPMS no son afectados por los combustibles oxigenados y no contribuyen a emitir vapores nocivos al medio ambiente.

A partir de los modelos de 1998, se requiere que los automóviles que se vendan en Estados Unidos no sobrepasen una emisión diaria de compuestos orgánicos volátiles (COV) de 2 g por vehículo (esta norma sobre emisiones no incluye los gases de escape. Estos gases están cobijados por normas diferentes). La principal fuente de compuestos orgánicos volátiles es el sistema de combustible del automóvil. Sin embargo, los COV también son emitidos por los plastificantes en la tapicería, las bandas y mangueras de caucho, etc. Controlar y reducir las emisiones de vapores de combustibles no quemados hacia el medio ambiente, es supremamente importante para cumplir con la norma de 2 g de emisiones por día.


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Antes de la aprobación de la norma sobre emisiones al medio ambiente, el principal plástico de elección para la fabricación de los TPMS había sido el polietileno de alta densidad. Esta era una elección lógica porque esta resina es fácil de obtener, tiene un costo reducido, es fácil de procesar y tiene un buen equilibrio de propiedades físicas. Sin embargo, el polietileno de alta densidad por sí solo no es un material satisfactorio para fabricar TPMS debido a que, con el tiempo, los combustibles para automóviles hacen que el polietileno de alta densidad se hinche, produciendo un deterioro de las propiedades físicas y aumentando la permeabilidad de los vapores de combustible a través de la pared del tanque. Los tanques de plástico fabricados en polietileno de alta densidad tienen que incorporar un material que ofrezca un alto nivel de barrera con el fin de proteger el polietileno de alta densidad de los componentes de combustible, interponer una barrera a los vapores de combustible y así proteger el medio ambiente.

La primera tecnología de barrera, que se utilizó a finales de los años ochenta y principios de los noventa fue una barrera con base en el gas flúor. Este proceso se conoce como fluoración. La barrera de flúor provee la protección necesaria para evitar que el polietileno de alta densidad se hinche por la permeación de combustible. No obstante, de acuerdo con las nuevas normas de la Agencia para la Protección Ambiental de Estados Unidos, EPA, la fluoración no es adecuada para evitar el escape de vapores de combustible hacia el medio ambiente, pero no cumple con la norma de limitar a 2 g las emisiones diarias. Además, el uso del gas flúor en una planta de manufactura es supremamente peligroso porque este gas es inodoro, incoloro y extremadamente tóxico.

La combinación de los beneficios de protección del medio ambiente, el menor peso, mayor resistencia al impacto, menor riesgo de explosión en los choques de alto impacto, resistencia a la corrosión y la utilización eficaz y flexible del espacio, crea la necesidad de tanques para combustible en plástico con un alto nivel de barrera.

Tipos de combustibles para automóvil
Antes de describir la tecnología para la fabricación de TPMS con alto nivel de barrera, es conveniente definir primero los tipos de combustible que se utilizan en los automóviles. En el mercado de Estados Unidos se utilizan varios tipos de combustibles para automóviles (excluyendo los combustibles diesel). Como ya se mencionó, todo el combustible que se vende en Estados Unidos tiene que ser oxigenado. Esto significa que el combustible contiene aditivos que contienen oxígeno para aumentar la combustión completa. El tipo de aditivo varía según la zona geográfica, la estación y la disponibilidad local.

Es importante comprender cuál es el tipo de combustible y aditivo que se utiliza, porque el TPMS debe proporcionar una barrera adecuada para todas las combinaciones de combustibles que se utilizan o se puedan llegar a utilizar en los mercados regionales.

Otros elementos de juicio para el desempeño
El combustible no es el único elemento de juicio para diseñar un TPMS con alto nivel de barrera. A continuación se describen algunas de las pruebas existentes a las cuales se someten los TPMS.

Ciclo de agitación:se llena un TPMS al 50% de su capacidad y se coloca en un dispositivo especial que simula el efecto de la agitación que se presenta con el uso normal del vehículo. Es de anotar que esta prueba hacía fallar los tanques fluorados debido a que la agitación "lavaba" la fluoración en ciertas áreas. Esto producía puntos débiles donde había muy poca o ninguna barrera protectora y permitía aumentar drásticamente las emisiones de compuestos orgánicos volátiles en los tanques mencionados.

Impacto de caída:se llena un TPMS al 50% y se acondiciona a –40ºC. El tanque se deja caer desde una altura de 6 m. El TPMS pasa esta prueba mientras que los tanques de acero sufren un 40% de fallas.

Prueba de filtración de helio:se llena un TPMS con helio a una presión de 2 psig con el fin de verificar que está libre de filtraciones.

Durabilidad:El TPMS debe funcionar satisfactoriamente durante diez años o 100.000 millas (161.000 km) sin fallar. Una falla en el campo produciría un costoso retiro del producto.

Éxito comercial
A partir de septiembre de 1998 Ford, Chrysler y General Motors iniciaron la producción de vehículos utilizando los TPMS de alto nivel de barrera. Otros fabricantes de automóviles ya producían modelos que utilizaban los TPMS de alto nivel de barrera en 1999. Se estima que dentro de los próximos cinco años, entre 65 y 70% de todos los vehículos que se venden en Estados Unidos utilizarán los TPMS de alta barrera.

Con relación a América Latina, Brasil particularmente ha sido el país líder en el establecimiento de leyes ambientales sobre la emisión de compuestos orgánicos volátiles. En el año 2001, la nueva regulación de este país sigue el mismo camino del EPA en Estados Unidos: 2 g de emisión de COV por día en un mercado de 900.000 autos producidos al año. Hasta finales de 1999, solo 3 de los 11 fabricantes de autos en Brasil habían implementado la tecnología de fabricación de los TPMS por coextrusión: VW, Chrysler y General Motors; lo que quiere decir que aún hay mucho trabajo por hacer.

Tecnología para la producción de TPMS de alto nivel de barrera para combustibles.
En 1995, Ford Motor introdujo el primer vehículo comercial con TPMS de alta barrera utilizando una coextrusión de HDPE, resina adhesiva y resina de barrera de EVOH.

Los TPMS coextruidos tienen una estructura consistente de HDPE, una resina adhesiva y EVOH. Los TPMS coextruidos se fabrican en máquinas de moldeo continuo por soplado disponibles comercialmente. Las máquinas se pueden equipar con un solo molde (llamadas de una sola abrazadera) o con dos moldes (llamadas de doble abrazadera). El tiempo que se requiere para fabricar un TPMS (tiempo del ciclo) es aproximadamente 2 minutos para una sola abrazadera y aproximadamente 65 segundos para la doble.

El HDPE que se utiliza en los TPMS coextruidos es de 10 HLMI (High Load Melt Index- Indice de fusión de carga), y de peso molecular ultra alto. La resina ha sido diseñada específicamente para los TPMS coextruidos. Paxon y BASF fabrican la resina HDPE en Estados Unidos para los TPMS coextruidos.

La resina adhesiva tiene como función unir el HDPE a la capa de EVOH y mantener la resistencia y la integridad de los TPMS coextruidos. Mitsui Chemicals fabrica una resina adhesiva, Admer, que se puede utilizar en los TPMS coextruidos. Al igual que el HDPE, el tipo de resina Admer está diseñado especialmente para los TPMS coextruidos.

Un componente muy importante de los TPMS es la capa de material remolido. En el proceso de moldeo por soplado se produce desperdicio por los rebordes o rebabas. Esta rebaba se muele en escamas y se utiliza nuevamente en la estructura como capa de remolido. Esto es importante para reducir el costo total del tanque de combustible.

Tecnología de resinas de barrera de EVOH
Un componente importante de la tecnología de los TPMS coextruidos son las resinas de barrera de EVOH. Las resinas EVOH ofrecen excelentes propiedades de barrera contra combustibles 100% con base en hidrocarburos y contra los combustibles oxigenados. Las resinas de EVOH también presentan una excelente barrera a los gases, aceites, fragancias y aromas. Kuraray Co. Ltd, en Osaka, Japón, y Eval Company of America, de Lisle, Il., fabrican resinas de EVOH. En octubre de 1999, Kuraray inició la manufactura de resinas de EVOH en Amberes, Bélgica, a través de su subsidiaria Eval Europe N.V. Kuraray fue la primera compañía en comercializar la producción de EVOH en 1972 y hoy lidera, junto con sus subsidiarias, la fabricación de resinas de barrera EVOH.

Las resinas de EVOH son copolímeros de etileno y alcohol de vinilo. Lo singular de las resinas de EVOH es la combinación de excelentes propiedades de barrera con la facilidad de procesamiento.

Los tipos de resina de EVOH se definen de acuerdo con el contenido de la unidad de etileno en términos de porcentaje en moles sobre el peso total del polímero. Por ejemplo, la referencia de EVOH, Eval F101, que se utiliza para fabricar los TPMS coextruidos, es un copolímero de 32% molar de etileno. En general, a medida que disminuye el contenido de etileno (mayor contenido de alcohol de vinilo) mejora la propiedad de barrera. Al tiempo que la propiedad de barrera está determinada por el contenido de alcohol de vinilo, la facilidad de procesamiento está controlada por la proporción de etileno en el polímero.

Es interesante observar cómo las propiedades físicas de la resina EVOH varían con el contenido de etileno en la molécula y el índice de fluidez.

Medición de las propiedades de barrera
El método que se utiliza para medir la permeabilidad del combustible es único si se compara con las técnicas tradicionales (como las pruebas de Mocon). La permeabilidad al combustible se determina haciendo una estructura en forma de bolsa como se indica a continuación y midiendo la variación de peso en función del tiempo.

Inicialmente, el peso de la bolsa aumenta, lo cual indica que la capa de HDPE absorbe combustible. Transcurridos entre 30 y 40 días, cuando la bolsa está saturada, se puede determinar un porcentaje de permeabilidad.

Se han investigado varias alternativas de materiales de barrera a los combustibles, como las mezclas de HDPE y nylon, la fluoración y la sulfonación. El eje vertical (abscisa) se omite intencionalmente porque los valores numéricos no son comparables debido a que los distintos materiales de barrera se someten a ensayos en diferentes tipos de equipos y usando diversos tipos de técnicas de medición. Los datos marcados con "EVOH" y "PA" son estructuras de varias capas, coextruidas con EVOH y PA (nylon) respectivamente, como capa barrera. Los datos señalados con HDPE+PA son para una estructura de una sola capa que consiste en una mezcla de HDPE y PA (nylon) especial. HDPE/F2 es una estructura fluorada. HDPE+S03 es una estructura sulfonada.

Todas las tecnologías de barrera tienen buenas propiedades frente al combustible CM 0 (100% hidrocarburos). Sin embargo, las propiedades de barrera contra el DM15 son muy diferentes. La adición aparentemente insignificante de 15% metanol al CM 0 cambia drásticamente los resultados. Las resinas de EVOH son excelentes barreras tanto a los combustibles 100% con base a hidrocarburos como a los combustibles oxigenados.

Las resinas de EVOH también proporcionan una excelente barrera contra los productos químicos, los ácidos y las bases.

Resumen
Los PFT coextruidos que utilizan las resinas de barrera EVAL cumplen con los exigentes requisitos de los tres grandes fabricantes de automóviles en cuanto a durabilidad, seguridad, flexibilidad de diseño, resistencia a la corrosión y costo. Y lo que es aún más importante, los PFT coextruidos sobrepasan las estrictas normas establecidas para las emisiones de hidrocarburos para los automóviles por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América. Es creencia general que otros países adoptarán las normas de la EPA (u otras similares) en el futuro para ayudar a proteger el ambiente mundial.


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