FIBRA DE CARBONO

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Fibra de Carbono, Presente y futuro de un material revolucionario

Carolina Llano Uribe

Periodista Metal Actual

Foto: www.toray.com

El mercado mundial de fibra de carbono alcanzará US$12

millones en 2011.

Un compuesto más ligero que el acero, con igual resistencia, inmune a la corrosión, que puede adoptar diversas formas y adaptarse a las necesidades de múltiples sectores.

A pesar de tener un crecimiento anual de 7 por ciento en la última década, el mercado de los materiales com- puestos o ‘composites’, sigue siendo un sector exclusivo y poco accesible. Efectivamente, aunque su industria lle- va más de 40 años produciendo diferentes y mejorados tipos de materiales, la oferta sólo representa cerca del 4 por ciento de las materias primas utilizadas por la indus- tria de manufacturas.

Las cifras son reveladoras: el año pasado la producción mundial de materiales compuestos se acercó tímidamente a 10 millones de toneladas métricas, mientras la produc- ción de acero sobrepasó los 100 millones de toneladas.

MATERIALES 11

Este panorama es consecuencia direc- ta, tanto del desconocimiento –por parte de la industria– de las propie- dades y ventajas de los ‘composites’, como de sus altos precios en el mer- cado, a razón del elevado costo de las materias primas e insumos y los complejos procesos de fabricación.

El ejemplo más evidente, es el caso de la fibra de carbono que, aunque es uno de los materiales más populares de este segmento, sigue siendo visto como un compuesto exótico, de gran valor económico y particularmen- te complejo. Así mismo, aún existen grandes interrogantes respecto a este material, pocos conocen sus orígenes, cómo se fabrica y que ventajas tiene.

Por estas razones, en el último lustro los principales fabricantes de fibra de carbono (Toray, Toho-Tenax, Mitsu- bishi Rayon Co, SGL, Hexcel, Cytec, y Zoltec) han desarrollado estrategias para aumentar y diversificar su uso y aplicaciones. Una de ellas, se susten- ta en la firma de acuerdos de abas- tecimiento a largo plazo entre las compañías que requieren altos volú- menes de este material con las em- presas productoras, como es el caso de Boeing, a quien la empresa Toray, acordó suministrarle el material más allá del año 2020.

Por otra parte, el mercado espera la disminución gradual de los pre- cios de la fibra de carbono, como consecuencia directa de la caída de

Los fabricantes de fibra de carbono buscarán aumentar la producción del material en 50 por ciento durante el próximo lustro.

los costos de los hidrocarburos, prin- cipal insumo para su elaboración. Desde hace un poco más de un año el petróleo ha sufrido una caída his- tórica, pasó de cotizarse a US$147 en julio de 2007, en las bolsas de Nueva York y Londres, a menos de US$37 al cierre del año pasado.

Al respecto, Uwe Wascher, presiden- te de GE Plastics, afirmó en una en- trevista para la agencia internacio- nal de noticias AFP, que hace un año y medio, el costo promedio de los insumos de hidrocarburos represen- taba ya el 67 por ciento del costo to- tal de la fibra de carbono y por ello, para el sector de los compuestos, la disminución de su precio es conside- rada altamente satisfactoria.

Con un panorama de mayor de- manda, oferta garantizada y precios competitivos, el mercado espera au- mentar la penetración de la fibra de carbono y diversificar su aplicación en otros sectores. Los fabricantes tienen la proyección de elevar su producción a un total de 45.000 to- neladas para el año 2010, de hecho la empresa SGL anunció que buscará alcanzar las 10.000 toneladas para el 2012 (cinco veces más de su produc- ción en el 2007).

En la actualidad, no hay que olvidar que el desarrollo de nuestra sociedad sigue marcado por la necesidad de reducir el consumo de energía, lo que aumenta cada vez más la demanda de materiales más resistentes y du- raderos, independientemente de su campo de aplicación y son fundamen- talmente los materiales compuestos y

específicamente la fibra de carbono, los que están dando respuesta a estas necesidades.

La fibra de carbono ofrece amplias ventajas con relación a productos competidores, aportando numero- sas cualidades funcionales, en es- pecial por su ligereza y resistencia mecánica. Por todas estas razones, es conveniente y oportuno conocer más sobre este material, sus oríge- nes, características y su futuro.

Esencialmente Carbono

La fibra de carbono se incluye en el grupo de los materiales compuestos, es decir, aquellos que están hechos a partir de la unión de dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con propiedades y cualidades superiores, que no son alcanzables por cada uno de los componentes de manera independiente.

En el caso particular de la fibra de car- bono, básicamente se combina un te- jido de hilos de carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endure- cedor y actúa uniendo las fibras, pro- tegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico duro.

Las fibras de carbono son cuatro veces más flexibles que las mejores aleaciones de acero y pesan una cuarta parte.

De la combinación de estos tres com- ponentes, se obtienen las propieda- des mecánicas del nuevo material, pues aunque la malla de hilos de car- bono, constituye por sí sola un ele- mento resistente, necesita combinar- se con la resina para que la proteja de factores externos y esfuerzos físicos.

Entre 5 y 10 micras mide un filamento de carbono, cinco veces más delgado que un cabello humano.

• Tejido de carbono (refuerzo)

El tejido de fibras de carbono pro- cede de una mezcla de polímeros, el más utilizado es el PAN (poliacriloni- trilo) que por ser la materia prima se llama precursor y que normalmente se combina con otros polímeros: me- til acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo, todos derivados del petróleo, que es car- bono1 concentrado, proveniente de restos de materia orgánica (fósiles).

En particular, el PAN es una fibra de plástico formada por largas cadenas de moléculas de carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrógeno en forma de escalera. Cuando se calienta el PAN en correctas condiciones de tempera- tura, las cadenas de moléculas de car- bono se juntan mientras los demás elementos se separan, los átomos de carbono del polímero cambian de distribución y forma una estructura

Foto: www.eltamiz.com

estable de anillos fuertemente unidos que soportan los unos a los otros.

Mediante un nuevo calentamiento, los anillos se juntan en ‘listones’ de hexágonos de átomos de carbono muy flexibles, a diferencia del grafi- to, cuya estructura permanece plana. La unión flexible de los listones evi- ta que se deslicen, como pasa en la estructura plana del grafito, lo que resulta en un notable incremento en la resistencia del material.

Los hilos de PAN son trefilados en fila- mentos cinco veces más delgados que un cabello humano y están compues- tos entre 92 y 100 por ciento de áto- mos de carbono, según sean las pro- piedades que se busquen. En síntesis, la fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno, nitró- geno y otros elementos diferentes al carbono de la fibra precursora, dejan- do solo el carbono en el material.

Algunos fabricantes también utilizan precursores de rayón, proveniente de la celulosa y precursores de alqui- trán, relativamente más baratos que el PAN pero menos efectivos. Cada tipo de precursor tiene su técnica de procesado pero, en general, todos siguen una misma secuencia, tenien- do como base el proceso de fabrica- ción con PAN, se pueden distinguir las siguientes etapas:

• Estabilización: durante esta fase las fibras de PAN son sometidas a

temperaturas entre los 200ºC y 300

ºC mientras que son estiradas y alar- gadas a través de un horno de oxi- dación, con el fin de darles la orien- tación molecular requerida para que puedan tener estabilidad dimensio- nal y de esta manera evitar que se fundan en el siguiente proceso.

• Carbonización: una vez las fibras han adquirido estabilidad, son so- metidas a temperaturas superiores a los 1.000ºC bajo una atmósfera inerte, es decir, en la que ningún agente externo interfiere en el proceso. Durante este periodo

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