Physio-Mechanical Performance of Sustainable Polymer Composites Incorporating Recycled Photovoltaic Panel Glass Powder for Semi-Structural Applications

Resumen Técnico: Rendimiento Físico-Mecánico de Compuestos Poliméricos Sostenibles que Incorporan Polvo de Vidrio Reciclado de Paneles Fotovoltaicos

Planteamiento del Problema
Se proyecta que la rápida expansión de las instalaciones solares fotovoltaicas (FV) generará volú-menes sustanciales de residuos al final de su vida útil, particularmente vidrio, que constituye entre el 67% y el 75% del peso de un panel FV. Si bien el vidrio es un material rico en sílice con un alto potencial de reutilización, su eliminación plantea desafíos ambientales significativos. Concurrentemente, la demanda de materiales estructurales ligeros y de alta resistencia en sectores como el automotriz y la construcción ha impulsado la adopción de compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP). Sin embargo, la mejora de las propiedades mecánicas de los compuestos de GFRP basados en epoxi a menudo requiere rellenos costosos o que consumen mucha energía. Este estudio aborda el doble desafío de la gestión de los residuos de PV y la mejora del rendimiento de los compuestos mediante la investigación de la viabilidad del uso de polvo de vidrio de desecho, procesado mecánicamente a partir de paneles PV desechados, como un relleno particulado sostenible en laminados de GFRP basados en epoxi.

Metodología
La investigación utilizó vidrio de desecho recolectado de paneles PV descartados, el cual fue procesado mediante microfraccionamiento y molienda de bolas para producir partículas finas. La distribución del tamaño de partícula se caracterizó mediante análisis de difracción láser.

Los laminados compuestos se fabricaron utilizando la técnica de laminado manual (hand lay-up) con fibras de vidrio bidireccionales (300 gsm) y una matriz de resina epoxi (LY-551). El estudio incorporó polvo de vidrio reciclado en diversos porcentajes en peso relativos a la masa de la resina: 0, 1.25, 2.5, 3.75 y 5 % en peso. Antes de la mezcla, el polvo de vidrio se sometió a ultrasonido en acetona para eliminar impurezas, seguido de una agitación magnética con la resina a 800 rpm. Se añadió el endurecedor en una relación de 10:1, y los laminados se curaron bajo una presión de 5 kN durante 24 horas a temperatura ambiente, seguido de un post-curado a 80–90 °C durante 3 horas.

El rendimiento físico-mecánico se evaluó mediante:

• Ensayos Mecánicos: Tracción (ASTM D3039), flexión (ASTM D790) e impacto Izod (ASTM D256).
• Análisis Microestructural: Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) para la dispersión del relleno y Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM) para la morfología de la superficie de fractura.
• Caracterización Estructural y Química: Difracción de Rayos X (XRD) para evaluar la cristalinidad y Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR) para verificar los grupos funcionales y el curado.
• Análisis Térmico: Análisis Termogravimétrico (TGA) para determinar la estabilidad térmica y la masa residual.

Resultados Clave
El estudio identificó una carga óptima de relleno de 2.5 % en peso, por encima de la cual las propiedades mecánicas disminuyeron debido a la aglomeración de partículas y la formación de microvacíos.

• Rendimiento Mecánico:

  • Resistencia a la Tracción: Aumentó de 280.24 MPa (prístino) a un máximo de 326.43 MPa al 2.5 % en peso, lo que representa una mejora del 16.48%.
  • Resistencia a la Flexión: Mostró la mejora más significativa, pasando de 311.02 MPa a 452.66 MPa (un aumento del 45.5%) al 2.5 % en peso.
  • Módulos: Tanto el módulo de tracción como el de flexión aumentaron significamente, alcanzando el módulo de flexión los 11.32 GPa con la carga óptima.
  • Resistencia al Impacto: Mejoró a 418.77 kJ/m² al 2.5 % en peso, indicando una mayor absorción de energía y resistencia a la propagación de grietas.
  • Degradación con Alta Carga: Las propiedades disminuyeron al 3.75 % y 5 % en peso debido a la aglomeración del relleno, lo que creó zonas de concentración de esfuerzos y redujo la unión interfacial.

• Hallazgos Microestructurales y Químicos:

  • Análisis TEM: Confirmó la dispersión uniforme de las partículas de vidrio al 1.25 y 2.5 % en peso, mientras que las concentraciones superiores (3.75 y 5 % en peso) exhibieron una severa aglomeración.
  • XRD: Reveló que todos los compuestos mantuvieron una estructura predominantemente amorfa, caracterizada por un pico ancho en el rango de 2θ de 18°–30°, atribuido a la red de epoxi y el vidrio rico en sílice.
  • FTIR: Verificó la presencia de grupos funcionales clave (O-H, C-H, Si-O-Si) y confirmó el reticulado efectivo de la matriz epoxi, con la muestra de 2.5 % en peso mostrando una interacción estable entre el relleno y la matriz.
  • TGA: Demostró una estabilidad térmica mejorada, con el compuesto de 2.5 % en peso reteniendo una mayor masa residual a temperaturas elevadas en comparación con la muestra prístina, atribuido a las fases ricas en sílice térmicamente estables.
  • FESEM: Las superficies de fractura del compuesto de 2.5 % en peso mostraron una fuerte unión interfacial y una dispersión uniforme del relleno, mientras que las cargas más altas presentaron defectos como la extracción de fibras (fiber pull-out) y desprendimiento (debonding).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la incorporación de polvo de vidrio de paneles PV reciclados en compuestos de GFRP es una estrategia sostenible viable que aborda simultáneamente la gestión de residuos y mejora el rendimiento del material. El estudio concluye que, con una carga óptima de 2.5 % en peso, el polvo de vidrio reciclado actúa como un refuerzo efectivo, mejorando las propiedades de tracción, flexión e impacto mediante mecanismos como la deflexión de grietas, la mejora de la transferencia de esfuerzos y el aumento de la rigidez de la matriz.

El artículo posiciona a las muestras poliméricas desarrolladas como materiales significativos adecuados para aplicaciones semiestructurales y otros contextos de ingeniería. Los autores sugieren que la utilización exitosa de este flujo de residuos podría apoyar el desarrollo de estructuras compuestas ligeras, rentables y respetuosas con el medio ambiente. El estudio no propone un despliegue comercial inmediato, sino que establece la viabilidad técnica y las métricas de rendimiento necesarias para tales aplicaciones, señalando que investigaciones futuras podrían explorar la hibridación con otras fibras (carbono, aramida, naturales) para mejorar aún más el rendimiento.