FIBRA DE CARBONO

Iajaira Diéguez Fernández

1. Año de creación y breve reseña histórica

Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la época de fuerte trabajo de

Thomas Edison, quien las preparó gracias a un proceso de carbonización, que logró por el empleo de

filamentos de otras fibras (de bambú, celulosa). Las mismas fueron posteriormente utilizadas para la

preparación de otros filamentos: los de las lámparas incandescentes.

Sin embargo, fue recién en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un proceso industrial

consistente en la obtención de este material y con la utilización de un carbono de alto módulo de

Young. Seis años después se obtuvieron fibras de PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se

desarrollaron muchas otras a partir del uso de breas de carbón, de petróleo y de resinas fenólicas. En

la década del ’80, se las fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto módulo y las

cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones.

Consumo de fibra de carbono

2. Imágenes significativas

Laminado de fibra de carbono

Filamento de carbono de 6 micrómetros (el más fino) comparado con un cabello humano

Tela de fibra de carbono

Fibra de carbono cortada

Conformado de la fibra de carbono

3. Tipología del material

La fibra de carbono es un material compuesto no metálico, de tipo polímero, es sintético y está formado

por poliéster y viniléster. Es producto de la síntesis química que consiste en la obtención de compuestos

químicos partiendo d sustancias más simples. Tiene forma de filamento largo y delgado de 0.0002-

0.0004 pulgadas (0.005-0.010 mm) de diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los

átomos de carbón se enlazan en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelamente

al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño.

Varias miles de fibras de carbón son retorcidas juntas para formar un hilo, que puede ser usado por sí

solo o como tejido de una tela. El hilo o tejido es combinado con un epóxido y se adhiere o moldea para

dar forma a varios tipos de materiales compuestos. Los materiales compuestos de fibra de carbón

reforzada se utilizan para hacer piezas de aviones y de naves espaciales, partes de autos de carreras,

armazón para bicicletas, cañas de pescar, resortes automotrices, mástiles de barcos de vela y muchos

otros componentes donde es necesario un material ligero y de alta resistencia.

Las fibras de carbón son clasificadas de acuerdo a los módulos de tensión de las fibras. El modulo de

tensión es una medida que mide cuánta fuerza de tensión puede ejercerse sobre una fibra determinada

por su diámetro sin romperse. La unidad de medida inglesa es libras de fuerza por pulgada cuadrada de

superficie transversal, o PSI. Las fibras de carbón clasificadas como “módulo bajo”, tiene un modulo de

tensión de 34.8 millones de PSI (240 millones de kPa). Otras clasificaciones en orden ascendente de los

módulos de tensión incluyen “módulos estándar”, “módulos intermedio”, “módulos altos” y “módulos

ultra altos”. Los módulos ultra altos de fibra de carbón tienen un modulo de tensión de 72.5-145

millones de PSI (500 millón-1,000 millones de kPa). Como comparación, el acero tiene un modulo de

tensión de cerca de 29 millones de PSI (200 millones de kPa). De este modo, las fibras de carbón son

diez veces más fuertes que el acero y ocho veces más que el aluminio, sin mencionar que la fibra de

carbón es mucho más ligera que ambas, 5 y 1.5 veces respectivamente. Adicionalmente, sus propiedades

de fatiga son superiores a todas las estructura metálicas y son uno de los materiales más resistentes a la

corrosión disponibles, cuando se combinan con las resinas adecuadas.

4. Propiedades

Las propiedades principales de este material compuesto son:

� Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.

� Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.

� Elevado precio de producción.

� Resistencia a agentes externos.

� Gran capacidad de aislamiento térmico.

� Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza

matriz termoestable.

Las razones del elevado precio de los materiales realizados con fibra de carbono se debe a varios

factores:

� El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de

producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C-

en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que

se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus

características una vez se ha obtenido la fibra.

� El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que

se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.

Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y

en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está

haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis,

edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería .

A continuación se muestran la comparación de las características de la fibra de carbón, fibra de vidrio,

aluminio y acero:

5. Aplicaciones

La fibra de carbono es ampliamente utilizada en industrias como la aeronáutica y automovilística, al

tiempo que puede ser empleada para la fabricación de barcos y bicicletas, donde se destacan como

fundamentales sus propiedades mecánicas y su relevante rasgo de ligereza. Muchas computadoras

portátiles, trípodes e incluso cañas para realizar tareas de pesca también tienen este material en su

composición.

6. Impacto medioambiental de la fibra de carbono

Es contaminante ya que al fabicarse necesita mucha energía y se desprenden algunos gases.

Muchas técnicas de reciclaje actual debilitan las fibras, lo que reduce su utilidad.

Con unos residuos estimados en 3.000 toneladas de residuos de compuestos de fibra de carbono son

generados solamente en USA y Europa. Hasta 2030 se espera que se desmantelen entre 6.000 y

8.000 aviones comerciales, y la producción de fibra de carbono virgen (VCF) se elevará a 100 000

toneladas anualmente en 2018.

Ninguno de los procesos actuales de eliminación de CFRP (vertederos e incineración) es óptimo, y

las regulaciones ambientales pueden llevar a la prohibición de ambos procesos.

El potencial de reciclado de este producto es interesante y por ello compañías grandes y pequeñas

buscan reutilizar este "oro" mediante procesos compatibles con el medio ambiente. Sin embargo, el

desarrollo de una industria de reciclado de CFRP está en su infancia, y los procesos diseñados hasta

ahora son costosos y complicados principalmente por tratarse de materiales de ingeniería de alto

rendimiento.

. Intratable en el diseño. La fibra de carbono es difícil en el diseño, y más aún en el reciclaje pero

varios procesos han sido desarrollados. .

Adherent Technologies Inc. (ATI) es una compañía de Alburquerque, Nuevo México (USA), que

lleva trabajando con reciclaje de fibra de carbono desde 1995.

ATI desarrolló la tecnología de conversión catalítica centrada en el proceso de reciclado de fibra de

carbono basada en lotes combinando tres diferentes procesos estudiados estudiados en la pasada

década, cada uno con ventajas y limitaciones específicas.

.La pirólisis en vacío, es un proceso seco operado a unos 500 ºC, que recupera resinas como un

líquido comercializable y es escalable a capacidades multi-toneladas. A esa temperatura, sin

embargo, el producto de fibra puede retener residuos de oxidación o carbonización.

El proceso de líquido a baja temperatura de la compañía opera a 150 ºC, funciona a menos de 150

psi en equipos standard, y produce fibra lista para el mercado, pero no es particularmente tolerante

a trocitos de contaminantes (tales como metales, trocitos de alambre, pintura, sellantes…).

La pirólisis de microondas es otra forma de reciclar CFRP está bajo desarrollo por compañías y

universidades en USA, UK y Alemania. Generalmente la energía de microondas absorbida por las

propiedades conductivas de la fibra de carbono calienta la resina de la matriz internamente.

Esto puede originar una descomposición de la resina más rápida y recuperación de fibra sin

formación de carbonización, acortando el tiempo de procesamiento total, y requiriendo equipos de

escala más pequeña.

7. Implantación en el sector industrial nacional.

Hay muchas empresas en España que trabajan con fibra de carbono. A continuación se nombrarán

algunas de ellas.

• RESINAS CASTRO es una empresa dedicada a la fabricación y comercialización de todo

tipo de productos relacionados con el sector de los composites (materiales compuestos) desde hace

más de 40 años. Somos especialistas en resinas de tipo termoestable (poliésteres, vinilésteres,

epoxis, poliuretanos, siliconas, …), fibras de refuerzo (aramidas, carbono, vidrio…) y todos los

productos complementarios implicados en las aplicaciones relacionadas: gel y top coats, masillas,

adhesivos, núcleos para estructuras sándwich (PVC, PU, madera de balsa, etc.), materiales de

vacío, etc

Porriño (España)

• RESINECO es una tienda de resina de fibra de carbono, poliester, resina epoxi, resina

acrilica Jesmonite, fibra de vidrio, Mat, silicona para moldes, alginato, pasta de modelar ecologica,

cargas, pigmentos y todas las herramientas necesarias para su aplicación.

Montmeló (ESPAÑA)

• CARBURES fabrica y suministra estructuras de fibra de carbono para el sector aeronáutico

Soria (ESPAÑA)

• DISEÑO EN FIBRA Y MADERA SL. Fabricación y elaboración de productos con fibra

de carbono y madera.

Arnedo, La Rioja (ESPAÑA)

• DONOBAT FIBRAS líneas de automatización para la fabricación de palas de

aerogeneradores

Elgoibar, Guipúzcoa (ESPAÑA)

8. Referencias del trabajo

http://www.resinascastro.com/web/localizacion.asp

http://tienda.resineco.com/FIBRA-DE-CARBONO-1

http://www.expansion.com/agencia/efe/2012/10/31/17760851.html

http://empresite.eleconomista.es/Actividad/REFUERZO-FIBRA-

CARBONO/provincia/RIOJA/

http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono

http://www.maquinariapro.com/materiales/fibra-de-carbono.html

http://www.youtube.com/watch?v=plK1emj877w

http://www.tecnocoches.com/sin-clasificar/la-fibra-de-carbono-y-sus-usos/

http://xoccam.blogspot.com.es/2009/04/la-fibra-de-carbono.html

http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/16574-La-fibra-de-carbono-un-material-

para-el-siglo-21.html

http://www.ecured.cu/index.php/Fibra_de_carbono

http://www.youtube.com/watch?v=g1ac649bT7A

http://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/fibras%20de%20carb

ono.htm

http://www.slideshare.net/Bcorazon/materiales-compuestos-8996460