como trabajar la fibra de carbono
como trabajar la fibra de carbono

Fondo

Una fibra de carbono es una hebra larga y delgada de material de aproximadamente 0,0002-0,0004 pulgadas (0,005-0,010 mm) de diámetro y está compuesta principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelos al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace que la fibra sea increíblemente fuerte para su tamaño. Varios miles de fibras de carbono se unen para formar un hilo, que puede usarse solo o entretejerse en una tela. El hilo o la tela se combina con epoxi y se enrolla o se moldea en forma para formar diversos materiales compuestos. Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono se utilizan para fabricar piezas de aeronaves y naves espaciales, carrocerías de automóviles de carreras, marcos de bicicletas, cañas de pescar, resortes para automóviles, mástiles de veleros y muchos otros componentes donde se necesita poco peso y alta resistencia.

Las fibras de carbono se desarrollaron en la década de 1950 como un refuerzo para componentes plásticos moldeados a alta temperatura en misiles. Las primeras fibras se fabricaron calentando hebras de rayón hasta que se carbonizaron. Este proceso demostró ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían solo aproximadamente 20% de carbono y tenían propiedades de baja resistencia y rigidez. A principios de la década de 1960, se desarrolló un proceso utilizando poliacrilonitrilo como materia prima. Esto produjo una fibra de carbono que contenía aproximadamente un 55% de carbono y tenía propiedades mucho mejores. El proceso de conversión de poliacrilonitrilo se convirtió rápidamente en el método principal para producir fibras de carbono.

Durante la década de 1970, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas condujo a la introducción de fibras de carbono hechas de brea de petróleo derivada del procesamiento de petróleo. Estas fibras contenían aproximadamente 85% de carbono y tenían una excelente resistencia a la flexión. Desafortunadamente, solo tenían una fuerza de compresión limitada y no fueron ampliamente aceptados.

Hoy en día, las fibras de carbono son una parte importante de muchos productos, y cada año se desarrollan nuevas aplicaciones. Los Estados Unidos, Japón y Europa occidental son los principales productores de fibras de carbono.

Clasificación de las Fibras de Carbono

Las fibras de carbono se clasifican por el módulo de tracción de la fibra. El módulo de tracción es una medida de cuánta fuerza de tracción puede ejercer una fibra de cierto diámetro sin romperse. La unidad de medida inglesa es libras de fuerza por pulgada cuadrada de área de sección transversal, o psi. Las fibras de carbono clasificadas como “módulo bajo” tienen un módulo de tracción por debajo de 34.8 millones de psi (240 millones de kPa). Otras clasificaciones, en orden ascendente de módulo de tracción, incluyen “módulo estándar”, “módulo intermedio”, “módulo alto” y “módulo ultra alto”. Las fibras de carbono de módulo ultra alto tienen un módulo de tracción de 72.5-145.0 millones de psi (500 millones – 1.0 mil millones de kPa). Como comparación, el acero tiene un módulo de tracción de aproximadamente 29 millones de psi (200 millones de kPa). Por lo tanto, la fibra de carbono más fuerte es aproximadamente cinco veces más fuerte que el acero.

El término fibra de grafito se refiere a ciertas fibras de módulo ultraalto hechas de brea de petróleo. Estas fibras tienen una estructura interna que se aproxima mucho a la alineación tridimensional del cristal que es característica de una forma pura de carbono conocida como grafito.

Materias primas

La materia prima utilizada para hacer fibra de carbono se llama precursor. Alrededor del 90% de las fibras de carbono producidas están hechas de poliacrilonitrilo. El 10% restante está hecho de rayón o brea de petróleo. Todos estos materiales son polímeros orgánicos, caracterizados por largas cadenas de moléculas unidas por átomos de carbono. La composición exacta de cada precursor varía de una compañía a otra y generalmente se considera un secreto comercial.

Durante el proceso de fabricación, se utilizan una variedad de gases y líquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra para lograr un efecto específico. Otros materiales están diseñados para no reaccionar o evitar ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, las composiciones exactas de muchos de estos materiales de proceso se consideran secretos comerciales.

La fabricación

Proceso

El proceso para fabricar fibras de carbono es en parte químico y en parte mecánico. El precursor se estira en hebras o fibras largas y luego se calienta a una temperatura muy alta sin que pueda entrar en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no puede arder. En cambio, la alta temperatura hace que los átomos en la fibra vibren violentamente hasta que la mayoría de los átomos que no son de carbono son expulsados. Este proceso se llama carbonización y deja una fibra compuesta de fibras largas y apretadas

Las fibras están recubiertas para protegerlas de daños durante el enrollamiento o el tejido. Las fibras recubiertas se enrollan en cilindros llamados bobinas.
Las fibras están recubiertas para protegerlas de daños durante el enrollamiento o el tejido. Las fibras recubiertas se enrollan en cilindros llamados bobinas.
cadenas entrelazadas de átomos de carbono con solo unos pocos átomos que no sean de carbono restantes.
Aquí hay una secuencia típica de operaciones utilizadas para formar fibras de carbono a partir de poliacrilonitrilo.

Hilado

1 El polvo de plástico de acrilonitrilo se mezcla con otro plástico, como acrilato de metilo o metacrilato de metilo, y se hace reaccionar con un catalizador en un proceso convencional de polimerización en suspensión o solución para formar un plástico de poliacrilonitrilo.

2 El plástico se hila en fibras usando uno de varios métodos diferentes. En algunos métodos, el plástico se mezcla con ciertos productos químicos y se bombea a través de pequeños chorros a un baño químico o cámara de enfriamiento donde el plástico se coagula y se solidifica en fibras. Esto es similar al proceso utilizado para formar fibras textiles poliacrílicas. En otros métodos, la mezcla de plástico se calienta y se bombea a través de pequeños chorros a una cámara donde los solventes se evaporan, dejando una fibra sólida. El paso giratorio es importante porque la estructura atómica interna de la fibra se forma durante este proceso.

3 Las fibras se lavan y se estiran al diámetro de fibra deseado. El estiramiento ayuda a alinear las moléculas dentro de la fibra y proporciona la base para la formación de los cristales de carbono fuertemente unidos después de la carbonización.

Estabilizando

4 Antes de que las fibras se carbonicen, deben modificarse químicamente para convertir su unión atómica lineal en una unión de escala más estable térmicamente. Esto se logra calentando las fibras en el aire a aproximadamente 390-590 ° F (200-300 ° C) durante 30-120 minutos. Esto hace que las fibras capten moléculas de oxígeno del aire y reorganicen su patrón de unión atómica. Las reacciones químicas estabilizadoras son complejas e implican varios pasos, algunos de los cuales ocurren simultáneamente. También generan su propio calor, que debe controlarse para evitar el sobrecalentamiento de las fibras. Comercialmente, el proceso de estabilización utiliza una variedad de equipos y técnicas. En algunos procesos, las fibras se extraen a través de una serie de cámaras calentadas. En otros, las fibras pasan sobre rodillos calientes y a través de capas de materiales sueltos mantenidos en suspensión por un flujo de aire caliente. Algunos procesos utilizan aire caliente mezclado con ciertos gases que aceleran químicamente la estabilización.

Carbonización

5 Una vez que las fibras se estabilizan, se calientan a una temperatura de aproximadamente 1.830-5.500 ° F (1.000-3.000 ° C) durante varios minutos en un horno lleno de una mezcla de gases que no contiene oxígeno. La falta de oxígeno evita que las fibras se quemen a las altas temperaturas. La presión del gas dentro del horno se mantiene más alta que la presión del aire exterior y los puntos donde las fibras entran y salen del horno están sellados para evitar que entre el oxígeno. A medida que las fibras se calientan, comienzan a perder sus átomos que no son de carbono, más algunos átomos de carbono, en forma de diversos gases, incluyendo vapor de agua, amoníaco, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y otros. A medida que los átomos no de carbono son expulsados, los átomos de carbono restantes forman cristales de carbono fuertemente unidos que están alineados más o menos paralelos al eje largo de la fibra. En algunos procesos, se usan dos hornos que funcionan a dos temperaturas diferentes para controlar mejor la tasa de calentamiento durante la carbonización.

Tratamiento de la superficie

6 Después de la carbonización, las fibras tienen una superficie que no se une bien con los epoxis y otros materiales utilizados en los materiales compuestos. Para dar a las fibras mejores propiedades de unión, su superficie está ligeramente oxidada. La adición de átomos de oxígeno a la superficie proporciona mejores propiedades de unión química y también graba y raspa la superficie para mejores propiedades de unión mecánica. La oxidación se puede lograr sumergiendo las fibras en diversos gases como el aire, el dióxido de carbono u ozono; o en varios líquidos como hipoclorito de sodio o ácido nítrico. Las fibras también se pueden recubrir electrolíticamente haciendo que las fibras sean el terminal positivo en un baño lleno de diversos materiales eléctricamente conductores. El proceso de tratamiento de superficie debe controlarse cuidadosamente para evitar la formación de pequeños defectos superficiales, como picaduras, que podrían causar fallas en la fibra.

Dimensionamiento

7 Después del tratamiento de la superficie, las fibras están recubiertas para protegerlas de daños durante el bobinado o el tejido. Este proceso se llama dimensionamiento. Los materiales de revestimiento se eligen para que sean compatibles con el adhesivo utilizado para formar materiales compuestos. Los materiales de revestimiento típicos incluyen epoxi, poliéster, nylon, uretano y otros.
8 Las fibras recubiertas se enrollan en cilindros llamados bobinas. Las bobinas se cargan en una máquina de hilar y las fibras se trenzan en hilos de varios tamaños.

Control de calidad

El tamaño muy pequeño de las fibras de carbono no permite la inspección visual como método de control de calidad. En cambio, producir fibras precursoras consistentes y controlar de cerca el proceso de fabricación utilizado para convertirlas en fibras de carbono controla la calidad. Las variables de proceso tales como el tiempo, la temperatura, el flujo de gas y la composición química se monitorean de cerca durante cada etapa de la producción.

Las fibras de carbono, así como los materiales compuestos terminados, también están sujetos a pruebas rigurosas. Las pruebas de fibra comunes incluyen densidad, resistencia, cantidad de tamaño y otras. En 1990, la Asociación de Proveedores de Materiales Compuestos Avanzados estableció estándares para los métodos de prueba de fibra de carbono, que ahora se utilizan en toda la industria.

Preocupaciones de salud y seguridad

Existen tres áreas de preocupación en la producción y manejo de fibras de carbono: inhalación de polvo, irritación de la piel y el efecto de las fibras en el equipo eléctrico.

Durante el procesamiento, pedazos de fibras de carbono pueden romperse y circular en el aire en forma de polvo fino. Estudios de salud industrial han demostrado que, a diferencia de algunas fibras de asbesto, las fibras de carbono son demasiado grandes para ser un peligro para la salud cuando se inhalan. Sin embargo, pueden ser irritantes y las personas que trabajan en el área deben usar máscaras protectoras.

Las fibras de carbono también pueden causar irritación de la piel, especialmente en el dorso de las manos y las muñecas. La ropa protectora o el uso de cremas protectoras para la piel se recomienda para las personas que se encuentren en un área donde haya polvo de fibra de carbono. Los materiales de apresto utilizados para recubrir las fibras a menudo contienen sustancias químicas que pueden causar reacciones severas en la piel, que también requieren protección.

Además de ser fuertes, las fibras de carbono también son buenos conductores de electricidad. Como resultado, el polvo de fibra de carbono puede provocar arcos y cortocircuitos en el equipo eléctrico. Si el equipo eléctrico no puede ser reubicado del área donde hay polvo de carbón, el equipo está sellado en un gabinete u otra caja.

El Futur

El último desarrollo en tecnología de fibra de carbono es pequeños tubos de carbono llamados nanotubos.

Estos tubos huecos, algunos tan pequeños como 0.00004 in (0.001 mm) de diámetro, tienen propiedades mecánicas y eléctricas únicas que pueden ser útiles en la fabricación de nuevas fibras de alta resistencia, tubos de prueba submicroscópicos o posiblemente nuevos materiales semiconductores para circuitos integrados.