CSIRO avanza en fibras de carbono: calidad superior, mayor resistencia y ahorro de costes

"El trabajo de CSIRO se centra en los primeros pasos de la producción de fibra de carbono, incluyendo la polimerización de acrilonitrilo en poliacrilonitrilo y luego hilado y procesamiento adicional de PAN para producir una fibra precursora de mayor calidad y más barata", explica Abbott. La producción de PAN representa el 50% del coste de la fibra de carbono pero el 70-90% de sus propiedades. "La tecnología de la Universidad Deakin involucra los pasos finales en la producción de fibra de carbono, incluyendo oxidación y carbonización", continúa. "La tecnología que han licenciado a LeMond Composites (Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.) es para oxidación rápida destinada a reducir el coste de estos pasos finales."

Para lograr sus objetivos de fibra de carbono de próxima generación, CSIRO está usando un conjunto de herramientas estratégicas: polimerización RAFT, procesos de química FLOW y metrología CarbonSpec. "Nuestro objetivo es producir una fibra de carbono grado aeroespacial con un 20% más de resistencia", dice Abbott, señalando que el equipo espera tener algunos resultados iniciales a finales de 2020.

Equipo de fibra de carbono de CSIRO

Con 5.000 empleados, 55 sedes, ocho unidades de negocio y un presupuesto de aproximadamente 1.000 millones de dólares, los proyectos de CSIRO abarcan una amplia gama de temas - ej., impresión 3D, biopolímeros, implantes médicos, ropa inteligente, astronomía/exploración espacial - e involucran a más de 2.800 socios cada año. "CSIRO inventó y patentó Wireless LAN", explica Abbott, "y usa esos ingresos para financiar otra investigación."

Una de sus 55 sedes está en Silicon Valley, California. CSIRO US conecta investigadores australianos con proyectos de EE. UU. para acelerar avances científicos en áreas como espacio, agricultura, conservación de agua, incendios forestales y ciudades inteligentes. El objetivo es la innovación abierta que reúne competencias de investigación profunda y experiencia con una amplia gama de problemas del mundo real.

"En compuestos, CSIRO desarrolla nuevas resinas y técnicas de procesamiento", continúa. "También hacemos mucho trabajo en modelado de compuestos y simulaciones de procesos, así como medición de propiedades de fibra de carbono. Por ejemplo, hemos desarrollado nuevos instrumentos para medir el módulo transversal de fibra de carbono, que luego introducimos para mejorar nuestro modelado y simulaciones."

"CSIRO tiene una relación estratégica de 30 años con Boeing", dice Abbott. "Fuimos reconocidos como proveedor tecnológico del año de Boeing en 2016 y 2017." El equipo de fibra de carbono de CSIRO también colabora con la Universidad del Sur de Mississippi (Hattiesburg, Mississippi, EE. UU.).

Línea piloto de hilado húmedo

Para completar la investigación necesaria en precursores de fibra de carbono, CSIRO primero tuvo que establecer su propia línea de hilado húmedo. "La fibra de carbono solo la fabrican un puñado de fabricantes en el mundo, cada uno con sus propias recetas secretas patentadas", explicó el director ejecutivo de CSIRO, Dr. Larry Marshall, en el lanzamiento de la nueva línea en 2017. La línea piloto fue construida a medida por MAE (Fiorenzuola d'Arda, Italia), un fabricante de máquinas especializado en equipos de proceso de polímeros y fibras. "Está diseñada como una línea comercial pero a menor escala", explica Abbott.

En un blog de CSIRO, el funcionamiento de la línea se describe usando la analogía de hacer pasta. Similar a la masa usada para hacer pasta, una solución de polímero llamada dope se usa para hilar fibra precursora PAN. Al igual que la masa de pasta se amasa y luego se prensa a través de una boquilla para hacer largos y finos hilos de espagueti, el dope se mezcla y luego se coagula e hila a través de una filera multiagujero para producir 500 a 12.000 hebras separadas de fibra PAN - todas más finas que un cabello humano. Estas fibras se lavan, estiran en rodillos, estabilizan en una serie de soluciones, se vaporizan y secan antes de bobinarse para la línea de carbonización en Carbon Nexus.

"Nos ha llevado mucho tiempo entender completamente cómo hacer fibra de carbono y la materia prima precursora", dice Abbott. "Nadie realmente quiso ayudarnos, así que tuvimos que aprendermostly por nuestra cuenta. Ahora, sin embargo, tenemos control completo sobre el proceso precursoro, que es clave, y luego trabajamos con Carbon Nexus para la carbonización."

Polimerización RAFT

Otra herramienta que CSIRO está aplicando es su tecnología RAFT (Transferencia de Cadena por Adición-Fragmentación Reversible) patentada y comercializada. RAFT es una forma sofisticada de polimerización radicalaria libre controlada que permite la síntesis de polímeros a medida con control sin precedentes sobre composición y arquitectura. Aunque las aplicaciones de RAFT van desde nuevos sistemas de administración de fármacos hasta lubricantes y recubrimientos industriales, el equipo de fibra de carbono de CSIRO lo usa para ejercer control sobre el proceso de polimerización PAN.

"La polimerización convencional de monómero a polímero produce una amplia polidispersidad - en otras palabras, muchas longitudes diferentes para las cadenas de polímero", explica Melissa Skidmore, líder del equipo de química de polímeros de CSIRO. "Si añadimos un agente RAFT, sin embargo, ahora obtenemos cadenas de polímero de casi la misma longitud, y así una distribución de peso molecular mucho más estrecha. Seguimos usando los mismos iniciadores, monómeros y disolventes pero solo añadiendo RAFT."

"El peso molecular afecta la viscosidad de la solución de hilado", dice Skidmore. "Tradicionalmente, mayor peso molecular en soluciones dope ha llevado a superficies acanaladas en las fibras precursoras. Añadir RAFT disminuye la viscosidad de las soluciones dope, llevando a una mayor carga de sólidos. Eliminar el polímero de muy alto peso molecular del polímero puede resultar en mejor alineación molecular en la fibra y propiedades mejoradas." Añade que el bajo peso molecular tiene un efecto plastificante en las fibras. "RAFT produce polímeros PAN que podrían producir fibras precursoras más densas, uniformes y con menos defectos estructurales. Esto también podría ayudar a acelerar la carbonización y reducir costes."

"Esto también nos da acceso a arquitecturas de polímero complejas", señala Skidmore. "RAFT permite una manipulación química adicional del grupo de polímero." Un ejemplo de donde eso viene bien es cuando la solución dope se manipula para coagular en fibras. "Hay un equilibrio delicado entre las características ideales de la solución de polímero dope y las condiciones de coagulación", añade. "El polímero es 95% PAN y 5% aditivos. Como los polímeros RAFT se comportan de forma diferente, pensamos que podemos reducir algunos de los aditivos tradicionales y convertir un porcentaje mayor en fibra de alto contenido sólido, lo que lleva a menos defectos. Estamos probando esto ahora."

Aunque no es el foco principal actualmente, RAFT también es extremadamente interesante por su capacidad de añadir funcionalidad durante la polimerización. Por ejemplo, los investigadores han estado buscando cómo hacer compuestos con alta capacidad de adsorción para captura de CO2 (el CO2 se adheriría a las superficies moleculares del compuesto). Los compuestos multifuncionales ya son buscados por fabricantes de aeronaves y vehículos eléctricos. Nuevos tipos de PAN y fibras de carbono con funcionalidades añadidas podrían convertirse en una solución importante para compuestos futuros.

Proceso FLOW continuo

"Con RAFT, ganamos control sobre la polimerización", dice Abbott. "Con FLOW, tenemos más control sobre la formación de fibra."

FLOW convierte la polimerización en un proceso continuo en lugar de por lotes. Abbott y Skidmore explican que los reactores por lotes usados actualmente están bien establecidos, son fáciles de configurar y eficientes en mezcla y monitorización de la cinética de reacción, pero también requieren un volumen mayor que los reactores de proceso continuo, lo que significa que la configuración a escala industrial es cara. Estos reactores por lotes de mayor volumen también son ineficientes respecto al espacio y consumo de energía. Los reactores de proceso continuo son más pequeños y menos caros, fáciles de escalar, más eficientes energéticamente y ofrecen control de proceso superior y mejor reproducibilidad vs. procesamiento por lotes. Sin embargo, al ser una línea dedicada continua, son menos flexibles al cambiar entre diferentes parámetros y productos.

También hay beneficios de seguridad y sostenibilidad. "Ahora mismo, la producción de PAN es ambientalmente insostenible, especialmente en cuanto a toxicidad", dice Skidmore. "Hacer el proceso de polimerización continuo mejora la seguridad, porque los agentes reactivos que son tóxicos, olorosos e inflamables están aislados y manipulados por equipos automatizados. Sin embargo, esto aumentará la complejidad de las líneas, que requieren un mayor grado de monitorización y control." Aunque requerirá más desarrollo, Abbott ve la polimerización FLOW como positiva: "La fibra de carbono es inherentemente variable, así que cualquier cosa que puedas hacer para reducir esta variabilidad mejora las propiedades."

CarbonSpec - medir para gestionar

La herramienta final en el enfoque de fibra de carbono de CSIRO es CarbonSpec. "Es básicamente metrología que hemos desarrollado para testar las fibras que producimos y entender mejor la relación propiedad-material", explica Pierlot. "Si no puedes medirlo, no puedes mejorarlo. También somos capaces de predecir mejor las propiedades de fibra de carbono a partir de una cantidad mínima de mediciones de PAN y fibra de carbono."

"En la industria de fibra de carbono, es estándar usar tomografía computarizada de rayos X de sincrotrón para determinar la microestructura de tus fibras", dice Pierlot. (Un sincrotrón es un acelerador de partículas del tamaño de un campo de fútbol que genera rayos X muy brillantes dirigidos a una línea de haz adyacente para imagen, etc.) "Con la asistencia del personal de la línea de haz en el Sincrotrón Australiano, se ha desarrollado un nuevo protocolo de caracterización dedicado para escanear la microestructura de fibras precursoras PAN y de carbono individuales. Se logra un mapa de microestructura de fibras individuales tan pequeñas como 5 micras de diámetro en cuestión de minutos. La señal SAXS ayuda a entender el desarrollo de poros en las fibras mientras que la señal WAXS ayuda a identificar los parámetros críticos de microestructura para optimizar el módulo de fibra. Usando ambas señales simultáneamente, podemos monitorizar y optimizar la resistencia mecánica y rigidez a lo largo de cada fase del proceso de producción desde dope PAN hasta fibra de carbono."

Pierlot señala que dentro de CarbonSpec, el equipo también está desarrollando nuevos instrumentos y métodos de prueba. "Por ejemplo, estamos midiendo módulo y resistencia transversal además de las propiedades axiales normalmente reportadas de las fibras. Pensamos que podemos usar el nuevo método que hemos desarrollado para esto para también medir resistencia a compresión axial. Esto último ha sido un reto largo porque el diámetro de una sola fibra de carbono o PAN es muy pequeño (5-10 µm), dificultando aplicar un verdadero esfuerzo compresivo axial sin causar pandeo."

Aumento del 20% en resistencia, fibras de carbono de próxima generación

"Hemos mejorado nuestra comprensión de cómo convertir polímero en fibra y ahora estamos haciendo fibra comercial", dice Abbott. "Estamos aplicando estas herramientas tecnológicas a otros polímeros precursores para hacer SIROPAN, que es la versión de PAN de CSIRO usando RAFT. Ahora podemos hacer kilogramos de esa fibra."

"El siguiente paso es evaluar los beneficios de usar polímeros RAFT", continúa. "Seguimos haciendo PAN, pero controlamos mejor el peso molecular y lo aumentamos mientras bajamos la viscosidad, lo que puede producir fibra de carbono más fuerte. ¿Cuánto más fuerte? "No estamos seguros aún, pero nuestro objetivo es 20% más fuerte", dice Abbott. "Sabemos que 10% más fuerte no es suficiente mejora para hacer el cambio de precursor financieramente factible - 20% es el mínimo necesario según la industria."

• Desarrollar polímeros precursores novedosos vía RAFT (polímeros de alta calidad o diferentes propiedades)
• Desarrollar procesos de polímero comercialmente competitivos (FLOW)
• Entender la conversión de polímero en fibra (hilado húmedo) para menor coste y mayores propiedades
• Entender la influencia de propiedades precursores en propiedades de fibra de carbono, predecir mejor propiedades de fibra de carbono y optimizar el proceso basado en estas mediciones y predicciones (CarbonSpec)
• Producir fibras de carbono a medida para aplicaciones finales específicas mediante ingeniería de PAN y fibra carbonizada

"La industria de fibra de carbono crece al 10% cada año", dice Abbott. "Nos gustaría asociar con jugadores industriales bien establecidos y/o nuevos interesados en mejorar calidad, rendimiento, coste y sostenibilidad de la fibra de carbono."

"Estamos probando seis formulaciones precursores diferentes y carbonizaremos estas en Carbon Nexus", añade Skidmore. "Esperamos tener resultados a finales de este año. Lleva un tiempo ir del polímero RAFT a una fibra blanca y luego a través de carbonización."

Abbott añade: "Queremos resultados fuertes a fin de año, pero estamos en esto para el largo plazo."

Esta investigación está apoyada por el Fondo de Ciencia e Industria.