Recubrimientos sin PFAS

Las sustancias alquílicas per- y polifluoradas, conocidas como PFAS, son prácticamente insuperables en términos de funcionalidad: son extremadamente resistentes tanto a los productos químicos como al calor, y precisamente por eso se enfrentan a presiones normativas. Sin embargo, sustituirlas dista mucho de ser sencillo. Los PFAS reducen la fricción, protegen los componentes contra el desgaste y la corrosión, evitan la acumulación de material y mantienen las propiedades de funcionamiento de emergencia cuando fallan las películas lubricantes. Por estas razones, cualquier alternativa requiere no solo un nuevo material, sino también una forma fiable de aplicar dicho material a una amplia variedad de componentes.

A través de los proyectos RePEEK, EPOS, LEMBAS y pureWaterSeal, el Fraunhofer ILT está desarrollando procesos basados en láser para aplicar recubrimientos de alto rendimiento sin PFAS sobre componentes metálicos de gran tamaño, cojinetes lisos, juntas y rodillos de elastómero sensibles. Dependiendo de la aplicación, el láser puede depositar materiales de recubrimiento, fundirlos localmente o estructurar selectivamente la superficie. Dado que aplica energía precisamente donde se necesita, y solo durante un breve periodo de tiempo, el láser permite a los ingenieros procesar materiales sustitutivos sin PFAS que, de otro modo, requerirían tratamientos en horno con un elevado consumo energético o temperaturas que podrían dañar el componente subyacente.

El material por sí solo no resuelve el problema

«A primera vista, sustituir los PFAS parece sencillo: eliminar un material problemático y sustituirlo por otro», afirma el Dr. Samuel Moritz Fink, director del Grupo de Procesamiento de Películas Delgadas del Fraunhofer ILT. «Sin embargo, en la práctica, el reto es mucho más complejo. Los materiales que contienen PFAS se utilizan a menudo precisamente allí donde los componentes sufren las mayores cargas mecánicas».

Los materiales alternativos deben adherirse de forma fiable al metal, los plásticos o el caucho, soportar altas temperaturas, permanecer firmemente unidos bajo carga y, además, poder aplicarse de forma económica, incluso en componentes de gran tamaño. «La polietereterocetona, o PEEK, es un material muy atractivo tanto desde el punto de vista químico como mecánico», explica Fink. «Sin embargo, no cumple automáticamente con todas las propiedades del PTFE (politetrafluoroetileno). El PEEK es más rígido, más caro y, dependiendo de la aplicación, más difícil de procesar. Por lo tanto, para muchos componentes industriales, seleccionar un polvo, una película o un polímero diferente es solo una parte de la solución».

El verdadero reto reside en el proceso de fabricación. ¿Cómo se aplica el material sustitutivo a la superficie? ¿Cómo se adhiere al componente? ¿Y cómo pueden los ingenieros evitar que los sustratos sensibles al calor resulten dañados durante el procesamiento?

«No consideramos las alternativas a los PFAS simplemente como una cuestión de materiales», afirma el Dr. Christian Vedder, director del Departamento de Tecnología de Superficies y Ablación del Fraunhofer ILT. «Nuestra investigación se centra en procesos de fabricación basados en láser que nos permiten crear sistemas de recubrimiento innovadores de forma selectiva». Estos procesos láser abordan precisamente aquellas áreas en las que los materiales sustitutivos por sí solos aún no pueden ofrecer el rendimiento requerido. Estructuran las superficies, mejoran la adhesión entre el recubrimiento y el componente y modifican localmente los sistemas de recubrimiento sin calentar innecesariamente toda la pieza.

RePEEK: recubrimientos de PEEK mediante un proceso híbrido

En el proyecto RePEEK, el equipo de ingeniería de superficies está investigando cómo se pueden aplicar recubrimientos basados en PEEK a componentes metálicos utilizados en sistemas móviles sometidos a grandes cargas. Se centran en aplicaciones de la ingeniería mecánica, como cojinetes lisos de gran tamaño, juntas, pistones y válvulas solenoides.

Los cojinetes lisos de gran tamaño utilizados en las turbinas eólicas constituyen un ejemplo especialmente claro de este reto. Un eje gira dentro de una carcasa de cojinete recubierta, que actualmente se protege, en la mayoría de los casos, mediante sistemas de recubrimiento a base de PTFE. Como su nombre indica, RePEEK sustituye el PTFE por PEEK.

«Hoy en día, el PEEK se aplica a menudo a componentes de gran tamaño, ya sea en forma de película o de polvo que posteriormente se fija mediante calor», explica Samuel Fink. «Ese enfoque puede funcionar bien para componentes pequeños. Sin embargo, con piezas metálicas que pesan varias toneladas, la cosa se complica mucho más. Hay que calentar todo el componente en un horno a una temperatura elevada y, a continuación, enfriarlo lentamente». El proceso consume grandes cantidades de energía, lleva bastante tiempo y calienta mucho más material del que realmente se necesita para el propio recubrimiento.

Los investigadores utilizan primero un proceso de deposición por láser para crear una capa superficial metálica. Esta superficie deliberadamente rugosa proporciona un anclaje mecánico para el polímero. A continuación, aplican polvo de PEEK en el mismo entorno de proceso y lo funden localmente con el láser. El polímero queda anclado en la superficie metálica rugosa, creando un recubrimiento compuesto que consta de una capa funcional metálica y una capa superior a base de PEEK.

El equipo ha desarrollado una boquilla especialmente diseñada para el polvo de PEEK y ya ha presentado una solicitud de patente para el proceso. La boquilla ciclónica reduce considerablemente el flujo de gas, lo que permite que el polvo alcance la superficie a una velocidad mucho menor en lugar de rebotar en ella. Como resultado, el proceso aprovecha de forma más eficiente una mayor cantidad del polvo aplicado y resulta más fácil de controlar.

EPOS: Recubrimientos multicapa de PEEK para cojinetes lisos de gran tamaño

Partiendo del proyecto RePEEK, Delil Idris Demir, del Fraunhofer ILT, está investigando cómo se pueden depositar de forma fiable recubrimientos a base de PEEK en múltiples capas sobre componentes de cojinetes lisos de gran tamaño. La aplicación del recubrimiento paso a paso permite alcanzar mayores espesores de recubrimiento sin tener que calentar por completo en un horno componentes que pesan varias toneladas. ACS Coating Systems aporta su amplia experiencia en recubrimientos de PEEK, especialmente para aplicaciones en cojinetes lisos. La empresa lleva desarrollando estos sistemas de recubrimiento desde mediados de la década de 1990 y actualmente produce recubrimientos con espesores que van desde unos pocos micrómetros hasta un milímetro. El director general, el Dr. Christoph Stecher, respalda el proyecto aportando su experiencia en el diseño de recubrimientos, la aplicación a escala industrial y la transición a la fabricación a gran escala.

Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), dirigida por la Dra. Katrin Reincke, se encarga de probar y evaluar los sistemas de recubrimiento resultantes. Su trabajo se centra en la cristalinidad, la microestructura y las condiciones térmicas de la capa de PEEK, así como en sus propiedades mecánicas y termomecánicas. Estos datos ayudarán a optimizar tanto el proceso láser como la estrategia de recubrimiento multicapa, de modo que el recubrimiento se adhiera de manera uniforme al sustrato y resista las tensiones mecánicas a largo plazo a las que se ven sometidos los cojinetes lisos. EPOS aúna, por tanto, la experiencia del Fraunhofer ILT en el desarrollo de procesos basados en láser, la experiencia industrial de ACS en tecnología de recubrimientos y los conocimientos en ciencia de los materiales de PSM.

LEMBAS: Recubrimientos antiadherentes para rodillos de elastómero sensibles

El proyecto LEMBAS se centra en los rodillos de elastómero utilizados en la fabricación de películas, la industria del embalaje, la producción de papel y la tecnología médica. En estas aplicaciones, incluso las partículas más pequeñas que se desprenden de la superficie del rodillo pueden convertirse rápidamente en un problema.

«Los recubrimientos de silicona siguen utilizándose ampliamente para estas aplicaciones», explica Adam El-Sarout, también miembro del Grupo de Procesamiento de Películas Delgadas del Fraunhofer ILT. «Aunque proporcionan las propiedades antiadherentes necesarias, no siempre ofrecen la durabilidad que exigen los procesos de fabricación de alta velocidad actuales». Junto con el especialista en recubrimientos Rhenotherm, el equipo de LEMBAS está desarrollando procesos de fabricación basados en láser que utilizan polímeros de alto rendimiento como el PEEK, la poliamida y el polipropileno. En comparación con la silicona, estos materiales ofrecen una mayor resistencia al desgaste, una mejor estabilidad química y una vida útil más larga, todo ello sin utilizar PFAS.

«El verdadero reto es la ventana de procesamiento», afirma El-Sarout. «Los polímeros de alto rendimiento requieren altas temperaturas de fusión, pero los elastómeros como el EPDM solo pueden tolerar un calor limitado. Calentar un rodillo de caucho entero en un horno dañaría el sustrato». El láser resuelve precisamente este problema al generar altas temperaturas solo donde se necesitan y solo durante un tiempo muy breve dentro del material de recubrimiento. La capa funcional se funde, mientras que el componente de elastómero subyacente permanece en gran medida protegido del daño térmico.

Para garantizar una adhesión a largo plazo, los investigadores están desarrollando no solo el propio recubrimiento antiadherente, sino también una capa intermedia que proteja el elastómero y refuerce la unión con la capa superior funcional. Asimismo, están adaptando las propiedades ópticas y reológicas de los materiales al proceso láser, al tiempo que investigan métodos adecuados de recubrimiento y pretratamiento con láser.

«Un material sustitutivo debe hacer algo más que proporcionar la funcionalidad requerida», afirma Vedder. «También tiene que ser compatible con el componente, los límites de temperatura del sustrato y el proceso de fabricación». Si esta etapa tiene éxito, el proceso ofrece varias ventajas: menor desgaste, menos contaminantes en el producto, menos limpieza y menor consumo de disolventes, así como unos requisitos energéticos significativamente inferiores a los de los procesos convencionales basados en hornos.

pureWaterSeal: juntas sin PFAS para lubricantes a base de agua

En el proyecto pureWaterSeal, investigadores de los Institutos Fraunhofer de Tecnología Láser (ILT) y de Mecánica de Materiales (IWM) están desarrollando juntas sostenibles que eliminan la necesidad de utilizar PFAS y funcionan con lubricantes a base de agua. El proyecto aborda dos retos medioambientales al mismo tiempo: los PFAS persisten en el medio ambiente de forma indefinida, mientras que los lubricantes a base de aceite contaminan el suelo y el agua.

«En Alemania se consumen alrededor de un millón de toneladas de lubricantes a base de aceite cada año», afirma Matthias Laermann, jefe del equipo de Estructuración de Superficies del Fraunhofer ILT. «Un solo litro de aceite puede contaminar hasta un millón de litros de aguas subterráneas. Las consecuencias incluyen suelos contaminados, suministros alimentarios contaminados y ecosistemas dañados. Estamos desarrollando soluciones que abordan ambos retos simultáneamente».

Investigadores del Fraunhofer IWM han desarrollado recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) específicamente para componentes poliméricos libres de PFAS. A continuación, el equipo del Fraunhofer ILT utilizó un láser para estructurar el recubrimiento, aliviando localmente las tensiones internas y las cargas mecánicas sin comprometer la estabilidad del recubrimiento en su conjunto. Al mismo tiempo, la combinación del recubrimiento y la estructuración con láser reduce la fricción, mejora la resistencia al desgaste y prolonga la vida útil de las juntas.

Los primeros prototipos ya están en funcionamiento en bombas utilizadas en centrales geotérmicas. Junto con socios industriales, los investigadores están adaptando ahora las juntas para otras aplicaciones, entre las que se incluyen los turismos, las hélices de barcos, los aerogeneradores y la maquinaria agrícola. Al mismo tiempo, el equipo se está preparando para ampliar la tecnología a sistemas más grandes y a la producción industrial.

El láser hace que la transición de materiales sea viable

Los diversos proyectos del Fraunhofer ILT demuestran que la sustitución de los PFAS implica algo más que simplemente cambiar un material por otro. También requiere procesos de fabricación e ingeniería de superficies capaces de aplicar esos nuevos materiales de forma fiable. En este sentido, el láser desempeña un papel clave. Deposita materiales de forma localizada, los funde con precisión donde se necesita o estructura recubrimientos funcionales sin ejercer una tensión térmica innecesaria sobre el componente subyacente.

Esto proporciona a la industria una mayor flexibilidad. No tienen que esperar a un único sustituto que pueda dar respuesta a todas las aplicaciones de los PFAS. Junto con socios industriales, el Fraunhofer ILT está desarrollando sistemas de recubrimiento a medida para diversos componentes y requisitos: superficies de baja fricción para cojinetes lisos, recubrimientos antiadherentes resistentes al desgaste para rodillos y sistemas de sellado sin PFAS para lubricantes a base de agua.