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Fibras de carbono con un mejor rendimiento para una menor relación coste-beneficio y un planeta mejor

Los compuestos reforzados con fibra de carbono (CRFC) son un 80 % más ligeros que el acero y un 50 % más livianos que el aluminio, al tiempo que confieren al menos el doble de resistencia y dureza. NEWSPEC se propuso superar las barreras económicas y de seguridad para su adopción generalizada.
Fibras de carbono con un mejor rendimiento para una menor relación coste-beneficio y un planeta mejor
A pesar de tener por lo general tan solo entre 5 y 10 micrómetros de diámetro, las fibras de carbono (FC) poseen muchas propiedades deseables, como una elevada resistencia y dureza, así como un bajo peso y una alta tolerancia a las temperaturas. Esto las hace interesantes para las industrias aeroespacial, militar y de ingeniería civil.

Sin embargo, las FC siguen siendo caras en comparación con sus alternativas y el proceso de producción presenta importantes limitaciones, incluido el hecho de que la resina polimérica, principalmente de poliacrilonitrilo (PAN), utilizada como precursor en el 90 % de las fibras de carbono plantea problemas medioambientales y de seguridad.

El proyecto financiado con fondos europeos NEWSPEC investigó las propiedades del polietileno (PE) como precursor para la producción rentable de FC. Los integrantes del proyecto diseñaron, desarrollaron y evaluaron prototipos de trabajo para la producción continua de FC, entre los que se incluían: equipos de hilado por fusión aptos para la producción semindustrial de fibras de PE, equipos de sulfuración en fase gaseosa, equipos de plasma de doble celda para la funcionalización de superficies de las FC y una sonda para la espectroscopía de Raman remota destinada a la monitorización en línea de las propiedades mecánicas de las FC.

Introducción de técnicas de producción innovadoras

Al justificar el interés de NEWSPEC para investigar el papel del PE como precursor de fibras de carbono, el coordinador del proyecto NEWSPEC en Warrant Group EFD, el doctor Mateo Falasconi, comenta: «Este presenta unas características técnicas interesantes, como un alto rendimiento de carbono e idoneidad para producir fibras de carbono con un rendimiento medio. También es relativamente flexible y fácil de procesar a un coste muy competitivo de cerca de dos euros por kilogramo. Comparado con el PAN, esto supone un ahorro de costes del precursor de hasta un 70 %».

Después de la evaluación y tras descartar el PE reciclado y a base de aceite, el proyecto descubrió que el PE de origen biológico (Bio-PE) derivado de la deshidratación de bioetanol a etileno, seguido de la polimerización a PE, ofrecía ventajas significativas. Este es fácil de obtener como subproducto de cultivos alimentarios anuales, presenta una buena pureza y consume menos energía (cerca de un 70 % menos) en comparación con las alternativas petroquímicas. Es más, también es sostenible, renovable y ecológico, ya que la producción de 1 kg de Bio-PE captura 2,5 kg de CO2 atmosférico.

Con el fin de preparar los polímeros de PE para su conversión en FC, estos se someten a un proceso conocido como estabilización, que los endurece para la fabricación a altas temperaturas. NEWSPEC desarrolló un original método en seco que utiliza azufre elemental sólido combinado con el endurecimiento por haz de electrones (EBC, por sus siglas en inglés) que incorpora heteroátomos en la etapa del precursor para reemplazar el método húmedo (ácido), que es el proceso empleado convencionalmente y que está relacionado con problemas medioambientales y de seguridad.

No obstante, el doctor Falasconi explica: «Este innovador proceso de sulfuración en fase gaseosa no se había probado con anterioridad a escala piloto, por lo que nuestro reto consistió en diseñar y desarrollar dicho equipo para la estabilización y la carbonización del precursor de PE. Con todo, logramos llevar a buen puerto tal empresa y denominados al equipo "SULFI"».

NEWSPEC también redujo la grafitización o la temperatura a la que el polímero de PE estabilizado comienza a transformarse en la estructura de carbono cristalino. Esto se llevó a cabo mediante la incorporación de nanoagentes (por ejemplo, nanocristales de celulosa) en la matriz del polímero.

Además, para que las fibras de carbono den lugar a buenos materiales compuestos, se someten a un proceso denominado funcionalización de superficies, que constituye un paso esencial para mejorar la compatibilidad de las fibras con diferentes resinas. Para tal fin, NEWSPEC empleó la tecnología de plasma atmosférico, lo que permitió descubrir que se trata de una técnica respetuosa con el medio ambiente, flexible (es decir, adecuada para todo tipo de grupos químicos), al tiempo que puede emplearse para la producción continua de principio a fin.

Beneficios de sostenibilidad para múltiples industrias

NEWSPEC empleó un análisis de coste del ciclo de vida (CCV) y la evaluación del ciclo de vida (ECV) para sus innovaciones de producción y rendimiento. Se observaron pruebas evidentes de un menor daño medioambiental con los cambios del precursor. La ECV también reveló el efecto positivo de la introducción de la técnica de plasma atmosférico para el tratamiento de superficies, lo que conlleva una reducción del 5 % del impacto ambiental.

Tal y como resume el doctor Falasconi: «Las fibras de carbono de polietileno podrían proporcionar la relación coste-rendimiento más alta en comparación con cualquier otro precursor actualmente bajo estudio».

Además de en los sectores de las infraestructuras civiles e industriales, se prevé que el uso de las FC en las aspas de aerogeneradores más eficientes, especialmente en áreas marinas, constituirá el sector principal y de mayor envergadura de su aplicación para el año 2020. La modernización de las turbinas ya instaladas (que son más pequeñas) también presenta un gran interés para las compañías eléctricas.

Palabras clave

NEWSPEC, fibra de carbono, estabilización, carbonización, compuestos, resina polimérica, precursor, prototipo, origen biológico, nano, producción, materiales
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