La fibra de carbono, un material para el siglo 21
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 (2000-3000 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.
Examinar la fibra de carbono es estudiar el carbono
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
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 1980 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.
Con esa hebra se teje una tela de FC.
Carbonización
Grafitización
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
La fibra de alta resistencia a la tracción
La fibra estándar
La fibra de carbono activada
FC crecida en fase de vapor
La fabricación del material compuesto
Admiramos a Alba Edison, que en 1879 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 1200 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 impregnarla 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.
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
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
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 1000 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
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.
El X-32A, de Boeing, es un excelente ejemplo
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
• 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.
