FIBRAS SINTÉTICAS : FIBRA DE CARBONO

FIBRA DE CARBONO

Fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero.

HISTORIA

En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings, Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono.
El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado americano con motores para aviones. Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites".
Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces.
Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.

OBTENCIÓN

· 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 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.

ESTRUCTURA

La estructura atómica de la FIBRA DE CARBONO es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.

La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de alta conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.

Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad * 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.

La principal aplicación es la fabricación de «composites» o materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.

PROPIEDADES

Las propiedades principales de este material compuesto son:

Muy 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. Las razones del elevado precio de los materiales realizados con fibra de carbono se debe a varios factores: 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.
Resistencia a agentes externos.
Gran capacidad de aislamiento térmico.
Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.
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.

*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.

APLICACIONES TEXTILES

APLICACION DE FIBRA DE CARBONO

VISTA TRANSVERSAL

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