Cintas termoplásticas de alto rendimiento reforzadas con fibra de carbono PAN textil

Un desafío persistente en la industria de compuestos avanzados es encontrar formas de producir fibra de carbono de menor coste para que todas las industrias que quieren usar este valioso y efectivo refuerzo de compuestos puedan hacerlo. Los costes de la fibra de carbono han bajado considerablemente gracias a décadas de trabajo para mejorar la productividad vía química de precursores, innovación en maquinaria, mejoras de proceso y más.

Un área que ha mostrado gran promesa es el uso de precursores alternativos al poliacrilonitrilo (PAN) de grado aeroespacial convencional. Por ejemplo, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, Washington D.C., EE. UU.) y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.) han desarrollado métodos para producir fibra de carbono de precursores alternativos que van desde polímeros, a lignina, a carbón.

Precursores alternativos

Uno de los más prometedores de estos precursores, y el más cercano a la comercialización, es el PAN textil, similar a la fibra usada para producir suéteres de acrílico. Como otros precursores alternativos que ORNL ha investigado, la fibra de carbono PAN textil (TCF) es diferente de la fibra de carbono PAN de especialidad aeroespacial en varias formas.

Una de las diferencias es que el precursor PAN textil, porque está destinado para uso en la industria textil (piensa en cortinas, ropa, telas de muebles), se suministra en formato de tow ancho que es inherentemente menos costoso que el precursor PAN de grado aeroespacial especializado. Durante la producción de fibra de carbono, esto tiene el efecto de aumentar el rendimiento y reducir los costes de conversión comparado con fibra PAN convencional. También tiende a producir fibra tow mucho más grande —del orden de 300K a 450K en la línea en la Instalación de Tecnología de Fibra de Carbono de ORNL versus 3K a 50K típico de fibra de carbono PAN convencional. Además, aunque lleva más tiempo procesar precursor TCF, ya que no contiene aceleradores de reacción como el PAN convencional y se ejecuta típicamente a temperaturas más bajas (una función de la necesidad de equilibrar tiempo de residencia y temperatura), el hecho de que se pueda procesar mucha más fibra a la vez y que el uso de energía es menor en base a peso o volumen ayuda a reducir costes. De hecho, ORNL estima que ~60 % de ahorro total de energía para conversión de fibra y ~50 % de ahorro de coste son posibles.

Esto a su vez brinda la oportunidad de producir fibra menos costosa en cantidades inusualmente grandes, y usarla para hacer productos con una huella de carbono menor. En industrias como automoción/transporte terrestre, electrónica de consumo, artículos deportivos, construcción/edificación y energía eólica, TCF es un refuerzo atractivo ya que las aplicaciones tienden a ser impulsadas por rigidez, comparado con aplicaciones impulsadas por resistencia en aeroespacial. Notablemente, las industrias no aeroespaciales podrían consumir potencialmente mucha fibra.

Sin embargo, TCF sigue siendo un producto diferente que la fibra de carbono PAN convencional, por lo que se necesita trabajo no solo para caracterizar mejor esta fibra, sino también para encontrar formas de convertirla y usarla. Porque puede procesarse en banda de tow ultra-ancha, este precursor requiere modificaciones de equipos de proceso a lo largo de todo el proceso de producción de fibra. También cambia la modificación de superficie post-producción y empaquetado, y, por supuesto, afectará procesos de conversión que van desde hacer cintas y tejidos a prepregs y preformados.

Reconociendo todas las formas en que TCF puede resolver el problema de coste/disponibilidad de fibra de carbono por un lado, pero también crea nuevos problemas en cómo manejar, convertir y empaquetar este material por el otro, el Instituto para la Innovación en Fabricación de Compuestos Avanzados (IACMI, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) ha estado trabajando en una serie de proyectos de investigación apoyados por miembros durante los últimos tres años para abordar estos problemas. Un proyecto interesante ha mirado formas de convertir la banda de tow ultra-ancha TCF en cintas compuestas termoplásticas.

Reduciendo costes

El interés en cintas compuestas termoplásticas ha crecido en muchas industrias, pero estos productos tienden a ser caros, ya que se requieren equipos especializados y know-how para impregnar exitosamente cualquier fibra con resinas termoplásticas pre-polimerizadas, de alto peso molecular y alta viscosidad versus sus contrapartes termofijas no reaccionadas de baja viscosidad. Es demasiado fácil producir cintas con muchos vacíos y mal mojado de fibra, terminando con piezas finales que no solo se ven mal, sino que corren riesgo de fallo prematuro.

El Dr. Uday Vaidya, profesor y cátedra del gobernador para Fabricación de Compuestos Avanzados, Universidad de Tennessee-Knoxville (UTK, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) y director técnico (CTO) de IACMI, ha colaborado en programas de compuestos termoplásticos desde principios de los 2000 con George Husman, presidente de Husman Consulting Inc. (Cape Coral, Florida, EE. UU.) y director retirado y CTO de Zoltek Co. Inc. (St. Louis, Missouri, EE. UU.). Sus muchas interacciones llevaron a la idea de impregnación en línea de fibras de carbono heavy-tow convencionales (24K a 50K) para producir cintas compuestas termoplásticas al final de la línea de producción de fibra. Producir cintas inmediatamente después de la producción de fibra eliminaría un paso de proceso intermedio separado y todo el envío y manipulación que eso conlleva. Se espera que esto ayude a reducir costes tanto de cintas como de piezas hechas de esas cintas.

Lograr este concepto requirió desarrollo en tanto proceso como equipo para hacer cintas termoplásticas reforzadas con fibra de carbono en diferentes tamaños de tow. Vaidya y Husman presentaron una patente provisional en conjunción con la Fundación de Investigación de la Universidad de Tennessee (UTRF, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) en 2018 cubriendo un proceso para producción en línea de cintas termoplásticas reforzadas con hasta 50K tow de fibra de carbono. El año siguiente, Vaidya y su equipo de UTK extendieron este trabajo para incluir impregnación termoplástica de TCF ultra-ancho (300K a 450K tow) con una segunda presentación.

Cintas TP TCF

Como cabría esperar, no ha habido escasez de desafíos técnicos por abordar en el camino. La alimentación y manejo de fibra requirieron modificación significativa de equipos, ya que TCF tiende a ser más ancha e involucra más filamentos que la fibra de carbono convencional. También es propensa a comportamiento catenario durante el paso de impregnación de fibra de producción de cinta. Eso significa que se forma una onda sinusoidal a medida que los tows alimentan en la matriz de impregnación, causando que los tows se dividan de forma desigual y entren en la matriz bajo diferentes tensiones, llevando a cintas que se tuercen, deforman y logran mal mojado de fibra.

«Encontrar una forma de mantener un equilibrio entre tensión de fibra y flexibilidad resultó realmente desafiante y requirió mucho trabajo», explica Vaidya. «Nuestro equipo llegó a entender lo importante que era mantener la integridad del tow para extender los filamentos y lograr un alto grado de mojado, que, por supuesto, es crítico para producir cintas de calidad».

Luego estuvo el tema del apresto. Las bandas de tow TCF están fuertemente aprestadas para ayudar a que la fibra se mueva suavemente desde el creel a la matriz de impregnación donde se moja con resina para producir cinta. Sin embargo, una vez en la matriz, investigaciones previas habían mostrado que para lograr buen mojado con termoplásticos de mayor viscosidad, la presencia de apresto en realidad impedía la impregnación, haciéndolo altamente deseable remover el apresto. Prueba y error eventualmente llevó al equipo a desarrollar una técnica para quemar el apresto justo antes de que los tows entraran en la matriz de impregnación.

Para predecir con precisión la reología de la resina y la alimentación de polímero a través de la matriz de impregnación y hacer buena cinta, se necesitó nuevo trabajo de simulación y validación. El equipo se centró en producir cintas TCF con polipropileno (PP) así como poliamida 6 (PA6) —dos termoplásticos ampliamente usados en automoción por su tenacidad y asequibilidad. El equipo usó software de diseño de matriz de extrusión PolyXtrue de Plastic Flow LLC (Hancock, Michigan, EE. UU.), basado en el modelo Williams-Landel-Ferry (WLF) y que proporcionó excelente correlación con reología medida y resultados de tasa de cizallamiento.

El diseño de la matriz en sí fue otra área importante de investigación, especialmente cuando el equipo pasó de tows estándar 12K a 50K, y luego a tows TCF ultra-anchos. En esa etapa, la matriz tuvo que ser completamente rediseñada y se adaptó un proceso de dos etapas. Durante la primera etapa, la fibra se impregna; durante la segunda etapa, se establecen ángulos de rotura optimizados para los pasadores de tensión/impregnación —que controlan la tensión a la que se tira de la fibra de carbono, la fracción de peso de fibra (FWF), así como control de calidad— para lograr las propiedades deseadas en las cintas completadas. Actualmente, el equipo ha producido cintas con 30-50 % FWF tanto en PP como en PA6, incluso con los tows más pesados.

Para enfriar rápidamente las cintas tras salir de la matriz, se desarrolló un sistema de enfriamiento por aire post-impregnación. El equipo incluso tuvo que idear un método para recoger las cintas completadas en creels/bobinas, debido al ancho de los productos y los desafíos de uso downstream de esas cintas.

Vaidya dice que el equipo está actualmente centrado en integración electrónica, que incluye construir una interfaz gráfica de usuario formal y desarrollar un sistema basado en controlador lógico programable (PLC). En última instancia, el objetivo del equipo es desarrollar un módulo de producción de cintas termoplásticas que pueda añadirse al final de una línea de producción de TCF o fibra de carbono convencional para facilitar la producción de cintas termoplásticas secundarias/intermedias.

«Nuestro equipo ha enfrentado muchos desafíos técnicos, pero también hemos tenido algunos logros», explica Vaidya. «Manejar una banda de tow tan ancha e impregnar las fibras con éxito —y rápidamente— para lograr cintas termoplásticas de calidad sin vacíos ha sido difícil. Sin embargo, nuestro equipo ha explorado varios parámetros de proceso, incluyendo múltiples iteraciones de diseño de matriz; simulaciones de flujo de polímero a través de la matriz; y varios aspectos de alimentación de fibra, tensión y precalentamiento. No solo hemos probado algunas de las afirmaciones en nuestra patente, sino que también hemos alcanzado velocidades de línea de impregnación de 12 pies/minuto [3,7 metros/minuto] mientras producíamos cintas de polipropileno y PA6 con 30 % FWF».

Próximos pasos

Vaidya dice que las protecciones de propiedad intelectual alrededor de esta tecnología de cinta se han presentado con la Fundación de Investigación UT —una con fibras tradicionales de 24K y 50K y otra con fibras de tow ancho. La comercialización, dice, se centrará en impregnación en línea dentro de una línea de fibra de carbono. «Esto reducirá enormemente el post-procesado y se adaptará fácilmente, bajando aún más el coste global del intermedio», dice.

¿Cómo podrían aplicarse estas cintas? Vaidya dice que las opciones son muchas: «Por ejemplo, el material puede picarse en forma de fibra larga, usarse como materia prima para pultrusión, bobinado de filamentos para grandes tanques, sobremoldeo (similar a organosheet) en moldeo por compresión, chapa en procesos híbridos —ej., con LFT [termoplástico de fibra larga], SMC [compuesto de moldeo en lámina] y otros materiales sinérgicos». Esto abre una gama de tipos de producto que se beneficiarían de mejoras en rigidez, tenacidad a alto impacto y mejor procesabilidad como formas, estirado y doblado, reciclaje y químicas reversibles.

Aplicaciones, dice, incluyen automoción, camiones, palas eólicas, infraestructura (puentes), construcción, artículos deportivos, productos marinos y offshore. «El intermedio termoplástico de fibra de carbono tow ancho puede ahora ofrecer vías para considerar fibra de carbono donde antes era demasiado caro», concluye Vaidya.