La fibra de carbono, un material para el siglo 21

La fibra de carbono es el desarrollo más reciente en el campo de los materiales compuestos siguiendo la idea de que uniendo fibras sintéticas con varias resinas, se pueden lograr materiales de baja densidad, muy resistentes y duraderos.

La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y relojes.

La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra. Existen muchas clases de FC con propiedades diversas, adaptadas a muchas aplicaciones.

Para hacernos una idea, basta comparar la FC con el acero:

Característica FC Acero

- Mód. de resistencia a la tracción 3,5 - 1,3

- Resistencia específica 2,0 - 0,17

- Densidad 1,75 - 7,9

- Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor.

- En cuanto a módulo de elasticidad hay una amplia gama de FC desde 240 hasta 400.

- Otras propiedades muy apreciables en la fibra de carbono son la resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva su forma.

Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte: el nombre de las FC que refuerzan la matriz de resina.

La fibra de carbono es un polímero convertido en fibra. En la mayoría de los casos, las FC permanecen como carbón no grafítico. El término fibra de grafito solo está justificado, cuando las FC han sido sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (2.000-3.000 ºC),que les confiere un orden cristalino tridimensional, observable mediante rayos X.

La cristalografía de rayos X nos permite conocer la estructura exacta de cada tipo de FC. Nos resulta extraño, pero nos recuerda mucho al grafito: una estructura hexagonal. El grafito, la mina de lápiz, es todo lo contrario: blando y frágil. Es un alótropo del carbono.

A nivel atómico no podemos comprender las diferencias entre la fibra de carbono y el grafito, pero la estructura es diferente: observamos muchos cambios en la superposición de las fibras y las cintas en la FC y en el grafito.

El grafito tiene una estructura plana triangula con enlaces triples y queda un electrón libre. Este electrón libre explica que el grafito es una de las pocas estructuras no metálicas que conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora.

La fibra de grafito cristaliza en el sistema hexagonal,el panal de abeja. La mayoría de las fibras no son de grafito sino de carbono,obtenidas a menor temperatura.

Examinar la fibra de carbono es estudiar el carbono

Es sin duda el más versátil de los elementos que conoce el hombre, como podemos ver por el hecho de que es la base de la vida en el planeta. El carbono forma parte de toda la química orgánica y de 20 millones de moléculas conocidas, de las cuales el 79 por ciento las clasificamos como orgánicas.

El átomo de carbono tiene 6 electrones, con la particularidad de que puede formar 4 enlaces covalentes con otros átomos, con lo cual adquiere una geometría de tetraedro, que nos recuerda al diamante.

El carbono se puede combinar con muchos elementos como: N, S, O, Cl, Br y P que son estables termodinámicamente, y con otros átomos de carbono con uniones muy fuertes (el diamante) y puede formar cadenas de carbonos de gran longitud.

Síntesis de la fibra de carbono

Un método común de obtener filamentos de carbono es la oxidación y pirólisis térmica del PAN (poliacrilonitrilo), un polímero usado para crear muchos materiales sintéticos. Como todos los polímeros, el PAN forma largas cadenas de moléculas, alineadas para hacer el filamento continuo. Cuando se caliente el PAN en correctas condiciones de temperatura, las cadenas PAN se juntan lado a lado, para formar cintas de grafeno.

El precursor más usado para obtener la fibra es el PAN (poliacrilonitrilo).Es el resultado de los trabajos de Shindo, a principio de los años 60 en Japón, posteriormente continuados por Watt, en Inglaterra y Bacon y Singer en EE.UU..

Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo.

El PAN o su copolímero es hilado utilizando la técnica de hilado húmedo. También se emplea la técnica de hilado fundido a veces. El primer paso es estirar el polímero de forma que quede paralelo a lo que será el eje de la fibra y se oxida a 200-300 ºC en aire, un proceso, que añade oxígeno a la molécula de PAN y crea la estructura hexagonal. El polímero que antes era blanco, ahora es negro.

El segundo precursor es una mesofase de la brea-alquitrán (petroleum-pitch y coal-pitch).

La mesosfase líquida cristalina de alquitrán se utiliza para obtener fibras de alto módulo. Petróleo, carbón mineral y policloruro de vinilo son las fuentes comunes del alquitrán. Desde 1.980 se obtienen FC a partir de breas de mesofase de alto módulo para aplicaciones que requieren fibras de muy altas prestaciones.

Finalmente recordemos a la celulosa, pero es menos empleada.

Las fibras basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre 5 y 7 micras. Y las del alquitrán 10-12 micras.

Para ganar una regata, hace falta que el casco(el flotador) sea lo más ligero posible. De ahí la necesidad de un casco con fibra de carbono. Abajo, la orza de plomo,contrapesa a la vela, y equilibra al velero.

La FC se clasifica por el número de filamentos, en miles, de que consta la hebra. Una FC 3k (3.000 filamentos)es 3 veces más resistente que una de solo 1k, pero también pesa 3 veces más.

Con esa hebra se teje una tela de FC.

Carbonización

Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de carbonización: el PAN se calienta a 2.500-2.000 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadísimas ,bidimensionales, y se logra una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm².

La naturaleza nos da lecciones en el uso de materiales compuestos.

Grafitización

Si calentamos el PAN a 2.500-3.000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531.000 N/mm².

Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la pala de una hélice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las temperaturas de tratamiento:

La fibra de alto módulo

Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el monocristal de “grafito” tiene un módulo de 1.050 GPa. El módulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio.

La fibra de alta resistencia a la tracción

Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con valores superiores a 300 GPa.

La fibra estándar

Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en las anteriores; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas.

La fibra de carbono activada

Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos, etc. Presenta una gran superficie específica y tamaño de poros muy uniforme. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.

FC crecida en fase de vapor

Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor (en inglés: VGCF vapour ground carbon fibres). Por su variedad de tamaños son un puente entre la FC convencional y la nanofibra.

La fabricación del material compuesto

La elección de la matriz afecta profundamente a las propiedades del producto acabado.

Admiramos a Alba Edison, que en 1.879 patentó fibras de carbono como filamento para la bombilla eléctrica. El utilizó como precursor hebras de bambú carbonizadas, que en el vacío de la bombilla se ponían incandescentes y lograban durar 1.200 horas. La lámpara de Edison tenía un rendimiento de 2 lúmenes/Watio.

Edison no utilizó ninguna matriz, para lograr un producto terminado. Fue una excepción.

Lo normal es usar una matriz de resina y un molde. Supongamos que tenemos el molde de un casco de regata de vela.

Se adhieren al molde delgadas hojas de FC, que toman la forma de la barca. Alineamos las fibras del tejido en la dirección más conveniente, porque las fibras son anisotrópicas. Impregnamos la tela de FC con resina.

Sobre la resina colocamos otra tela de FC impregnarda con resina, y así sucesivamente sobreponiendo telas de FC y capas de resina.

En los puntos de casco, en que las cargas son máximas, al navegar por ejemplo la proa, el espesor del casco será mayor.

El ala delta del X-32 realizada en FC.Foto Boeing X-32.

Es fácil ver que hay mucha mano de obra especializada. Cuanto más intensas son las cargas que soportará el producto, por ejemplo: una pala de helicóptero, mayor cuidado pondremos en alinear correctamente la dirección de la fibra.

Finalmente calentar la pieza, o curarla al aire. Expuesta al agua no sufrirá corrosión, y es muy fuerte en comparación con lo poco que pesa.

Si en el molde hay burbujas de aire, la resistencia final quedará reducida.

Las matrices son termoestables o termoplásticas.

La fibra no se usa por sí misma, sino para reforzar matrices, por ejemplo: la ya citada resina epoxy u otros plásticos termoestables. En algunas aplicaciones la matriz es termoplástica.

Los termoestables

Estos polímeros son plásticos que curados por calor, u otros medios, se transforman en un producto infusible e insoluble. Son los más usados (el 90 por ciento) en los composites estructurales.

El 65 por ciento de las matrices termoestables son poliésteres insaturados.

La mayor ventaja del termoestable es que tienen una viscosidad muy baja, y se pueden introducir en las fibras a baja presión.

La impregnación de las fibras inicia el curado químico, que produce una estructura sólida, es un proceso realizado isotérmicamente. El reciclado, en la práctica, no es posible.

Los termoplásticos

El termoplástico es capaz de ser ablandado repetidas veces por acción del calor, y endurecido por enfriamiento. Se puede reciclar con facilidad, lo cual es muy importante en el sector del automóvil. Su resistencia al impacto es excelente.

Los termoplásticos aportan la ventaja de que el moldeo no es isotérmico, es decir: el plástico caliente y fundido se introduce en el molde frío, y así se logran ciclos muy cortos en tiempo.

Pero los termoplásticos polimerizados fundidos suelen tener viscosidades entre 500 y 1.000 veces superiores a los termoestables. El proceso requiere pues altas presiones y aumento de costes.

Últimamente hay el proceso de monómero líquido. La ventaja del monómero líquido termoplástico (por ejemplo, PBT de Cyclics) consiste en que se procesa isotérmicamente (inyección, polimerización, cristalización y desmoldeo a la misma temperatura), como si fuera un termoestable.

“Hilo híbrido” es el último método de procesar termoplásticos: se introduce el polímero en forma sólida, como polvo o fibra y se consigue que se mezcle con las fibras de carbono. El ”hilo híbrido” se convierte en tejido, u otras formas textiles, se aplica suficiente calor y presión, el termoplástico se funde y llena la corta distancia que le separa de la fibra de carbono. A continuación se enfría la pieza impregnada y logramos el material compuesto sólido.

El molde a presión o “La bolsa de vacío” es excelente para productos de calidad: el molde de la regata de vela, con sus telas de FC impregnadas es introducida en una bolsa de paredes impermeables y extraemos el vacío. Las paredes flexibles de la bolsa presionan fuertemente el casco, y eliminamos las burbujas de aire. La interfase tela FC y la resina queda también mejorada.

La fibra milagrosa

La Asociación japonesa de fabricantes de FC la llaman: “Ligera en peso, fuerte y duradera”. Indudablemente tiene un gran porvenir industrial, incluso fuera del área aeronáutica-espacial. Es el material tecnológico del siglo XXI, precursor de los nanomateriales. De alto precio, pero con tendencia a bajar.

Baja densidad, exquisitas propiedades mecánicas, eléctricamente conductora, de alto módulo elástico y de tracción, resistente al calor, baja expansión térmica, estabilidad química, térmicamente conductora y además permeable a los rayos X, una propiedad importante en el equipamiento médico.

La industria de transportes, en especial la aeroespacial lleva décadas buscando materiales compuestos (C/C), para sustituir al metal. El objetivo es disminuir el peso de vehículo y aumentar la eficacia.

La industria de satélites y de aviones militares lleva la delantera; el alto precio de los C/C no es un inconveniente.

Joint Strike Fighter es el mayor esfuerzo en tecnología aeronáutica jamás realizado,que utiliza la FC al máximo. Foto Boeing X-32.

El X-32A, de Boeing, es un excelente ejemplo

En los aviones comerciales ya se ha llegado a un 10-25 por ciento del peso total de la aeronave. Por primera vez Boeing nos ofrece ahora el 787, para 250 asientos, con 50 por ciento del peso en C/C, principalmente de fibra de carbono (FC).

En artículos de deporte: cañas de pescar, raquetas, bicicletas, coches fórmula 1, la fibra de carbono ya es popular, aunque de alto precio.

La penetración seguirá aumentando hasta llegar a los coches de serie.

Fuera de transporte, en la Construcción, un sector en donde el peso es algo secundario, se emplea ya la fibra de carbono en puentes y pasarelas. Hasta aporta ventajas económicas frente a los métodos tradicionales.

Referencias

• Braun, Dietrich. Identificación de plásticos. Ed. Hanser. 1989.

• Gay, D. Matériaux composites. Editions Hermes, 2005.

• Guizzo, Erico. Winner: carbontakeoff. IEEE, New York. 2006.

• Hanson, M. Closer to assembling first 787 Dreamliner. Boeing. Seattle.2006.

• Ibarra, I. Materiales compuestos de matriz elastomérica termoplástica. R. de Plásticos Modernos, diciembre 2005.

• Mallick, P. K. Fiber-reinforced composites. Marcel Dekker, Inc. 2004.

• Miravete, A. Hacia la fibra de carbono. Materiales de construcción, Vol. 51, julio-diciembre 2001.

• Seymour, R. S. Química de los polímeros. Reverté. Barcelona 2002.

Fuente: P.Bolufer