Variedades de fibra de carbono y procesos de producción

Las fibras de carbono (CF) son fibras de 5–10 micrómetros de diámetro compuestas mayoritariamente por átomos de carbono.

Entre sus ventajas destacan:

• Alta rigidez,
• Alta resistencia a la tracción,
• Bajo peso y
• Alta resistencia química.

Tras leer este artículo, conocerá la principal clasificación de las fibras de carbono, qué materias primas son necesarias y aprenderá sobre su detallado proceso de fabricación.

Así podrá distinguir rápidamente la calidad de los productos de fibra de carbono y comprender todo el proceso de fabricación de manera más eficiente.

1. Clasificación general de las fibras de carbono

A. Según el módulo de tracción

El módulo de tracción de la fibra es el criterio clave para clasificar las fibras de carbono.

Básicamente, el módulo de tracción es la abreviatura de «módulo de elasticidad», que mide la rigidez de una fibra de cierto diámetro, o su resistencia al estiramiento: cuanto mayor sea el número, más rígida es la fibra.

B. En orden ascendente de módulo de tracción

Otras clasificaciones, en orden ascendente de módulo de tracción, incluyen «módulo estándar», «módulo intermedio», «alto módulo» y «ultraalto módulo».

Por ejemplo, las fibras de carbono de ultraalto módulo tienen un módulo de tracción de 500 millones a 1.000 millones de kPa. Como comparación, el acero tiene un módulo de tracción de unos 200 millones de kPa. Por tanto, la fibra de carbono más resistente es unas cinco veces más fuerte que el acero.

2. ¿Qué materias primas son necesarias para el proceso de fabricación?

La materia prima para fabricar fibra de carbono es el precursor.

A. Poliacrilonitrilo

Alrededor del 90 % de las fibras de carbono se fabrican a partir de poliacrilonitrilo.

B. Rayón o alquitrán de petróleo

El 10 % restante proviene de rayón o alquitrán de petróleo. Todos estos materiales son polímeros orgánicos, caracterizados por largas cadenas moleculares unidas por átomos de carbono.

C. Gases y líquidos

Durante la fabricación, diversos gases y líquidos son indispensables.

Algunos deben reaccionar con la fibra para lograr un efecto específico; otros no necesitan reaccionar o sirven para evitar ciertas reacciones.

Al igual que con los precursores, las composiciones exactas de muchos de estos materiales de proceso son secretos industriales.

3. Proceso de fabricación de la fibra de carbono

El proceso es parte químico y parte mecánico.

El precursor se estira en hebras largas o fibras y luego se calienta a temperatura muy alta evitando el contacto con oxígeno.

Sin oxígeno, la fibra no puede arder. En su lugar, la alta temperatura hace que los átomos vibren violentamente hasta que la mayoría de los átomos no carbónicos son expulsados.

Este proceso es la carbonización y deja una fibra compuesta por cadenas largas e interlockadas de átomos de carbono con pocos átomos no carbónicos residuales.

A continuación, presentamos una secuencia típica de operaciones para formar fibras de carbono a partir de poliacrilonitrilo.

3.1 Hilado

1) Mezclar polvo de plástico acrilonitrilo con otro plástico (acrilato de metilo o metacrilato de metilo).

2) Reaccionar con un catalizador en un proceso convencional de polimerización en suspensión o solución para formar plástico de poliacrilonitrilo.

3) El plástico se hila en fibras, que se lavan y estiran.

3.2 Estabilización

1) Antes de carbonizar, las fibras deben alterarse químicamente para convertir su enlace atómico lineal en un enlace de escalera más estable térmicamente.

2) La estabilización se logra calentando las fibras en aire a unos 200–300 °C (390–590 °F) durante 30–120 minutos.

3.3 Carbonización

1) Terminada la estabilización, las fibras se calientan a unos 1.000–3.000 °C (1.830–5.500 °F) durante varios minutos en un horno con mezcla de gas sin oxígeno.

2) La presión de gas dentro del horno se mantiene superior a la exterior y los puntos de entrada y salida de las fibras se sellan para impedir la entrada de oxígeno.

3.4 Tratamiento de superficie

Tras la carbonización, las fibras tienen una superficie que no se adhiere bien a epoxis y otros materiales de compuestos. Para darles mejores propiedades de adhesión, su superficie se oxida ligeramente.

3.5 Apresto (Sizing)

1) Tras el tratamiento de superficie, las fibras se recubren para protegerlas de daños durante el bobinado o tejido. Este proceso se llama apresto.

Los materiales de recubrimiento se eligen compatibles con el adhesivo usado en compuestos. Materiales típicos incluyen epoxi, poliéster, nailon, uretano y otros.

2) Las fibras recubiertas se enrollan en cilindros llamados bobinas. Las bobinas se cargan en una máquina de hilar y las fibras se retuercen en hilos de varios tamaños.

Esta es la información básica sobre el proceso de fabricación de fibras de carbono y esperamos que sea útil. No dude en dejar su comentario si tiene preguntas.

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