Fibra de carbono

Fibra de carbono

    

¿Qué es la fibra de carbono?

La fibra de carbono es un tejido muy resistente mecánicamente, duradero, flexible.

Se comercializa en forma de telas o fieltros. Sus principales características son su resistencia, su aspecto elegante y su peso liviano.

Este polímero es obtenido a partir de otro polímero llamado poliacrilonitrilo, el cual consiste en hebras muy finas de carbono (tan delgadas como el cabello humano) que son trenzadas, las cuales se tuercen y se agrupan continuamente para la formación de un hilo de varias hebras, se coloca sobre un molde y encima se le vierte una resina o plástico para pegar estos hilos tejidos y darles forma a sus diversas aplicaciones.

Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea mesoface de petróleo, de ultra-alto módulo y las cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenían una excelente resistencia a la flexión. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado notablemente desde entonces.

En la actualidad, ya superados todos los impases iniciales, la fibra de carbono es el término con el cual se hace referencia a un material compuesto de índole no metálica y de la clase de los poliméricos. En otras palabras es una fibra sintética que se fabrica a partir del poliacrilonitrilo y está constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono y está mucho más presente en la vida cotidiana de lo que uno se imagina, y aunque históricamente ha sido en las industrias del automovilismo y la aeronáutica donde mayor partido se le ha sacado a esta fibra de tan magnificas propiedades, también es usada en muchas otras áreas que van desde las industrias de los relojes, de los móviles  y las maletas, hasta las de indumentarias y equipos deportivos de alto rendimiento, además de múltiples experimentos científicos que se desarrollan teniendo como base la fibra de carbono.

La facultad del átomo de carbono para enlazarse fuertemente consigo mismo, es la base de todos los productos químicos. Sin el enlace carbono-carbono, la vida, como la conocemos hoy, no podría existir. Pero ahora, incrustando varias fibras basadas en cadenas de carbono en una matriz apropiada, los tecnólogos están creando materiales compuestos que aprovechan la fortaleza del enlace de carbono. Volumen por volumen, estos súper-materiales sintéticos son tan fuertes como el metal, pero mucho más livianos y se pueden diseñar por ordenador.

  

Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro, comparado con un cabello humano

Las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), son muy fuertes y extraordinariamente rígidas. Sin embargo, para obtener un aprovechamiento práctico de esas características, los ingenieros químicos tuvieron que encontrar un procedimiento para combinar las fibras con un material matricial apropiado para formar un compuesto. De este modo, los finísimos filamentos individuales de 7 a 8 micrómetros de diámetro, se enlazan entre sí, permitiendo que se transfieran las cargas por toda la matriz de fibra a fibra para poder lograr un rendimiento mecánico útil. En realidad la fibra de carbono es un conjunto de muchos filamentos paralelos, que una vez retorcidos se pueden tejer y moldear con la utilización de resinas, para crear compuestos con altísimas propiedades mecánicas. En los últimos años el tema de los compuestos de fibras, se ha ampliado de tal manera, que las fibras de carbono constituyen ahora sólo una de una serie de fibras de refuerzo con que se cuenta para su uso en materiales compuestos. También se ha investigado una amplia gama de materiales matriciales, con inclusión del vidrio, las cerámicas y varios polímeros. Se han elaborado incluso compuestos de matriz metálicas en aluminio, magnesio, estaño y plomo con cierto éxito y se emplean en aplicaciones extremadamente especializadas.

Una propiedad especial de los compuestos de fibras, es que son anisótropos: su fortaleza difiere de conformidad con la dirección en que se aplica una fuerza respecto de la dirección de las fibras. Por ejemplo, si se tira del material en paralelo a la dirección de las fibras tendrá una inmensa fortaleza, pero si se aplican fuerzas a 90º de la alineación de la fibra la resistencia del compuesto depende casi exclusivamente de la matriz de resina relativamente endeble. Si los compuestos se usan en hojas y si han de resistir fuerzas en más de una dirección, es necesario construir capas laminares alternadas de fibra y resina en direcciones diferentes.

Con esta disposición, la capa laminar que proporciona la mayor parte de la fortaleza variará de acuerdo con la dirección de la fuerza de tracción aplicada.

Además de poseer propiedades diferentes en las direcciones longitudinal y transversal, los compuestos exhiben diferentes propiedades de tracción y de compresión. En realidad, teniendo tantas propiedades que considerar, los materiales de fibras se convierten en algo extremadamente sofisticado para trabajar con ellos. Los cálculos propios de un componente sometido a un sistema de tensiones multidireccionales, son tan laboriosos, que se han creado especialmente programas de ordenador para ser usados de manera óptima en consonancia con la alineación específica de sus fibras.

Con la ayuda del ordenador, un especialista puede seleccionar individualmente la fibra, la matriz, el contenido de la fibra y la orientación del laminado que proporcionarán la rigidez o la fortaleza necesarias, en la dirección y la ubicación deseadas. También pueden usarse computadores para controlar los intrincados modelos en que están colocadas las fibras, con miras a ofrecer la combinación óptima de propiedades mecánicas. Los compuestos de plástico reforzado tienen una resistencia análoga a la del metal, si se comparan volumen por volumen. Sin embargo, los materiales son menos densos que los metales y por ello ofrecen importantes economías de peso. Los plásticos reforzados también se moldean fácilmente en formas de gran tamaño y aerodinámicamente eficientes, lo que reduce el número de piezas individuales que se necesitan para las estructuras metálicas.

Vista del monocasco del BMW i3 Electric Car, fabricado de fibra de carbono

Síntesis: El grafito es una forma de carbono puro y por ende, la fibra de carbono es un polímero de un cierto tipo de grafito. En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de anillos aromáticos hexagonales. Tras el calentamiento a 300ºC, los grupos amino laterales forman anillos cíclicos entre sí.

La tecnología ha hecho que fabricar fibra de carbono sea menos costosa hoy que hace un lustro atrás, convirtiéndola rápidamente en un material usado en muchas áreas, incluyendo maletas, relojes, indumentarias y equipos deportivos de alto rendimiento, la industria automotriz y de transporte aéreo, náutico y ferroviario, además de múltiples experimentos científicos que se desarrollan teniendo como base la fibra de carbono. La fibra de carbono se compone de muchos hilos con un peso específico muy bajo (peso pluma), que están compuestos principalmente de carbono, que por lo general está incrustado en una resina epoxi. Hay muchos grados diferentes de fibra de carbono, con diferentes propiedades, que pueden ser utilizados para diferentes aplicaciones específicas. Para dar una idea de algunas de las propiedades útiles de fibra de carbono, se muestra a continuación un cuadro comparativo que con el acero:

Como se puede apreciar en el cuadro, la fibra de carbono tiene casi 5 veces más resistencia a la tracción que el acero y sin embargo es 7 veces menos denso.

Actualmente, la fibra de carbono basada en poliacrilonitrilo (PAN), está disponible en módulo bajo (menos de 32 millones de lbf/in² o 32 Msi), en módulo estándar (33 a 36 Msi), en módulo intermedio (40 a 50 Msi), también de alto módulo (50 a 70 Msi) y de ultra alto módulo (70 a 140 Msi). La fibra, que está disponible en paquetes llamados ‘tow’, y viene en muchos tamaños, que van desde 1 kilo hasta 350 kilos (1 kilo = 1.000 filamentos que van desde 5 a 10 micras de diámetro). Los productos también varían en el grado de contenido de carbono y el tipo de tratamiento o acabado dado a la superficie (revestimiento). La fibra de carbono varía en el módulo de tracción (o rigidez, determinada como deformación bajo tensión), compresión y resistencia a la fatiga.

Cada filamento de carbono se produce a partir de un polímero tal como el poliacrilonitrilo (PAN), rayón, o brea de petróleo, elementos estos conocidos como precursores. Para polímeros sintéticos, tales como PAN o rayón, el precursor es primero hilado en hilos de filamento, utilizando productos químicos y procesos mecánicos para alinear inicialmente los átomos de polímero y así mejorar las propiedades físicas finales de la fibra de carbono. La composición de los precursores y el tipo de procesos mecánicos utilizados durante el hilado de los hilos de filamento pueden variar entre los fabricantes. Después del estiraje o el hilado, los hilos de filamentos de polímero se calientan para sacar los átomos no carbonizados, obteniendo la fibra de carbono final.

El proceso de fabricación de fibra de carbono es muy difícil y sumamente costoso. El equipo necesario para montar una sola línea de producción de clase mundial cuesta unos US$ 25.000.000 y se pueden tomar hasta dos años para ponerlo a producir. De hecho, el costo puede ser mayor si se tienen en cuenta las características específicas que requiere la planta física, por ejemplo, la planta de Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (MRC) en Otake, Japón, tiene unas instalaciones de 874,000 mts² y está programada para hacer una expansión de una línea de producción en 2017, a un costo de US$ 100.000.000 en los próximos 3 años. Esa nueva línea de producción incrementará su producción en 9.072 toneladas métricas de fibra de carbono al año.

En términos más simples, la fibra de carbono se produce mediante la pirólisis (combustión sin oxígeno para que no se incinere) de una fibra orgánica que actúa como precursora en una atmósfera inerte a temperaturas que pueden llegar hasta los 2.800ºC, y aunque suene simple es sin embargo un proceso verdaderamente complejo. 

Cuadro esquemático de la producción de la fibra de carbono

Antes de enconar en las bobinas, los filamentos de fibras de carbono se pueden tratar adicionalmente para mejorar cualidades como el tacto. Un método común de fabricación implica el calentamiento de los filamentos hilados de poliacrilonitrilo (PAN) a aproximadamente 300°C, rompiendo muchos de los enlaces de hidrógeno y oxidando el material. Una vez el poliacrilonitrilo (PAN) está oxidado se coloca a continuación en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas que puede ser ‘argón’, y se calienta a aproximadamente 2.000°C, lo que induce la grafitización del material, produciendo un cambio en la estructura de unión molecular. Cuando se calienta en las condiciones correctas, estas cadenas se unen de lado a lado (en polímeros tipo escalera), formando delgadas láminas de grafeno que eventualmente se fundirán formando un solo filamento columnar, obteniendo entre el 93% y 95% de carbono. El tratamiento térmico de la superficie aumenta de tamaño del área superficial total de la fibra, así como su porosidad, alterando la energía de su superficie para mejorar la adhesión entre la fibra y la matriz de la resina al crear un material compuesto.

Se pueden fabricar fibras de menor calidad usando rayón como precursor, en lugar de poliacrilonitrilo (PAN). La fibra de carbono puede mejorarse hasta llevarla al grado de alto módulo, o de alta tenacidad, por medio de procesos térmicos, por eso cuando se somete a temperaturas que oscilan entre los 1.500°C y los 2.000°C (carbonización) exhibe la más alta resistencia a la tracción (820,000 psi, o 5.650 mpa o n/mm²), mientras que si la temperatura se eleva para que oscile entre los 2.500°C y 3.000°C (grafitización) presenta un módulo de elasticidad más elevado (77.000.000 psi o 531 GPa or 531 kN/mm²).

Referencias: psi [libras por pulgada cuadrada] – mpa [megapascal] – n/mm² [Néwtones por milímetro cuadrado]

Los composites de fibra de carbono se componen principalmente de filamentos de carbono impregnados y aglomerados con una resina. El reciclado de estos materiales es difícil de realizar por tres motivos fundamentales:

−         1) la gran mayoría están formados por resinas termoestables, que no se funden por aplicación de calor, luego no se pueden volver a moldear;

−         2) están compuestos por múltiples ingredientes de naturaleza muy diversa (resina, fibras, aditivos de relleno) etc.); 

−         3) pueden estar mezclados o llevar incorporados otros materiales (insertos metálicos, film termoplástico protector, pinturas, etc.)”