El gran desarrollo de industria de los composites de fibra de carbono en los últimos años hace necesaria la introducción de nuevas técnicas de fabricación que permitan la reutilización de estas fibras tras el fin de su vida útil.
Desde AITEX - Centro de Innovación e Investigación, mediante el proyecto rGENERA, se ha generado conocimiento hacia la obtención de composites termoplásticos de fibra de carbono reciclada que presenten prestaciones mecánicas medio-altas, mediante el uso de tecnologías de hilatura de fibra cortada.
Se trata de un área de investigación amplia, con grandes posibilidades de innovación que, en consecuencia, contribuirá a implementar un nuevo modelo de economía circular en la industria de los composites en detrimento del insostenible modelo actual de economía lineal y los problemas de acumulación en vertederos que presentan esta tipología de materiales. Adicionalmente, la adaptación de estas tecnologías permitirá la reindustrialización de la industria textil del procesamiento e hilatura de fibra cortada, tanto en la Comunidad Valenciana como en España diversificando sus tradicionales mercados.
Resultados obtenidos:
1. Revalorización de fibras mediante cardado e hilatura (hilados híbridos de fibra cortada).
Durante la ejecución del proyecto se ha procedido a la identificación, adquisición, y realización de pruebas preliminares (FAT) de la línea piloto que se destinará a la realización de las operaciones de apertura, mezcla, cardado, manipulación de mecha e hilatura ring-spinning, con sus correspondientes adaptaciones técnicas para la revalorización de fibras de carbono (de origen reciclado).
La línea piloto está formada por una carda de 500mm de ancho con una configuración de rodillos y guarniciones, adaptados para el cardado de fibra de carbono mezclada con fibras termoplásticas. Este equipo permite la obtención de velos no-tejidos y la obtención de cintas para hilatura con títulos entre 4.0-7.0 kTex. Esta cinta posteriormente se afina mediante un Roving Frame y un Flyer con el objetivo de obtener mechas estiradas y retorcidas con títulos entre 0,8-1,0 kTex y torsiones entre 10-25 vt/m. Estas mechas son aptas para su hilatura mediante tecnología de anillos (ring-spinning) permitiendo la obtención de hilados de fibra cortada con ratios de estiraje de hasta x400 (a velocidades de hilatura de hasta 25.000 rpm) dando lugar a la generación de hilados híbridos con títulos entre 10-150 Nm.
Figura. Cinta, mecha, hilo y no-tejido híbridos (rCF+TP) obtenidos con la planta experimental.
De forma paralela a la puesta en marcha de la planta piloto, tal como se detalla en los siguientes apartados, se ha procedido a la validación y optimización de los procesos de hibridación por torcido, hibridación por hilatura Dreff2000 e hibridación por tejeduría, utilizando la única referencia disponible comercialmente de hilado de fibra cortada de carbono. Todo ello con el objetivo de establecer los parámetros necesarios a utilizar con los hilos que se espera obtener tras la puesta en marcha en continuo de la planta piloto de cardado e hilatura. Y con la finalidad de definir los ratios idóneos entre las fibras de refuerzo (rCF) y las fibras matriz (TP) para la generación de artículos textiles que se puedan destinar a la fabricación de composites termoplásticos para aplicaciones técnicas y estéticas.
2. Hibridación a partir de hilados de carbono de fibra cortada.
2.1. Hibridación por torcido
Mediante una retorcerdora de anillos se han realizado diversas hibridaciones combinando el hilado de carbono (fibra cortada) con hilos multifilamento de polipropileno (matriz), con el fin de cuantificar la posible degradación de la fibra de carbono durante su procesado, de determinar los títulos idóneos de hilo para los posteriores procesos de tejeduría y de determinar el ratio de fibra refuerzo/matriz óptimo.
Figura. Distintos hilos hibridados por torcido y retorcido con variaciones en la proporción matriz/refuerzo.
Los resultados de caracterización de los hilados han demostrado que únicamente existe una pequeña degradación de la fibra de carbono en el torcido con el ratio 1:1 (1CF:1PP), ya que a medida que se va aumentando el ratio de multifilamentos de matriz (PP) (1:2, 1:3, 1:4 y 1:5), estos disipan la carga transmitida, siendo aptos para la tejeduría de calada y procesos de manipulación. Con estos resultados se ha demostrado que la utilización de hilos de carbono compuestos por fibra cortada (hilados discontinuos) presentan prestaciones mecánicas elevadas y aptas para su aplicación en composites con aplicaciones técnicas.
2.2. Hibridación mediante hilatura Dreff-2000 a partir de hilados de fibra de carbono cortada.
Durante la ejecución del proyecto se han desarrollado hilos híbridos de fibra de carbono cortada con matriz termoplástica mediante tecnología de hilatura Dreff-2000 (hilatura por envoltura core-sheath). Esta técnica de hibridación innovadora ha permitido mediante la tecnología Dreff la obtención de hilos híbridos formados por un núcleo de fibra de carbono (a partir de un hilado de fibra cortada) recubierto por fibras cortadas de matriz termoplástica.
La hilatura Dreff permite la obtención de hilados híbridos gruesos en los cuales el núcleo o core queda totalmente recubierto por las fibras de matriz termoplástica, favoreciendo la compatibilidad fibra-matriz en los procesos de termoconformado y evitando la degradación de la fibra de carbono en los procesos de tisaje y manipulación al estar recubierta por la envoltura o sheath de matriz termoplástica.
Figura. Hilo Dreff de fibra cortada de carbono recubierto con fibra de PP.
2.3. Hibridación por tejeduría a partir de hilados de fibra de carbono cortada.
Mediante el telar experimental de AITEX, se han realizado diversas combinaciones de estructuras y ligamentos textiles con el objetivo de determinar el ratio óptimo entre matriz y refuerzo, teniendo en cuenta también, la facilidad de adaptación-deformación de estas estructuras tejidas a los posteriores procesos de termoconformado. A continuación, se muestran algunas de las estructuras y las posiciones de los hilos (matriz y refuerzo) que han sido tejidas a diversas densidades tanto de trama como de urdimbre con el fin de obtener tejidos híbridos con varios ratios CF: PP.
Estos, posteriormente han sido termoconformados y caracterizados mecánicamente con el fin de estudiar la influencia de las estructuras diseñadas y la relación de los ratios matriz/refuerzo obtenidos con las propiedades mecánicas finales de los composites.
3. Caracterización y prototipado
Con los hilos y tejidos anteriores se han obtenido organosheets (láminas) compuestas por fibra de carbono reciclada y fibra de carbono cortada, junto a matrices termoplásticas consolidadas mediante termocompresión. La combinación de múltiples capas de tejidos con diversas estructuras, junto a no-tejidos obtenidos mediante el proceso de carda, ha dado lugar a la obtención de organosheets con pesos comprendidos entre 600-2.300g/m2 y espesores comprendidos entre 0.5-2.0mm.
Figura. Organosheets y texturas resultantes a partir de la combinación de los tejidos y no-tejidos híbridos.
Estos organosheets han sido utilizados para caracterizar mecánicamente los composites obtenidos mediante ensayos de tracción, flexión e impacto, con la finalidad de determinar la composición óptima de capas y estructuras textiles necesaria para cada peso y espesor. Su caracterización ha permitido determinar la factibilidad de utilizar estos composites para distintas aplicaciones técnicas en función de las exigencias mecánicas requeridas.
Adicionalmente, se han obtenido prototipos funcionales mediante termocompresión en un molde con geometría de sillín, con el objetivo de verificar la adaptabilidad de los tejidos a la geometría del molde, y validar los diversos acabados estéticos obtenidos en función del tejido empleado y su estructura textil sin necesidad de postprocesos como la aplicación de barnices o resinas de acabado.
Figura 9. Sillines obtenidos (zona superior: no-tejido, zona inferior: tejido) (izq.). Detalle del acabado (dcha.)
El proyecto rGENERA II que cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana, a través del IVACE (IMACI2021/1)
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