¿Cómo hacer fibra de carbono?

La fibra de carbono, compuesta por combinaciones de materiales diferentes (fibra y resina), su variabilidad y, por lo tanto, su adaptabilidad, son fundamentales para su atractivo. Como sustituto del metal, los compuestos de fibra de carbono ofrecen diez veces la resistencia del acero. Los fabricantes de fibra de carbono crean productos similares, pero no idénticos. La fibra de carbono varía en módulo de tracción (o rigidez determinada como deformación bajo tensión) y resistencia a la tracción, la compresión y la fatiga.

La fibra de carbono basada en PAN está disponible actualmente en módulo bajo (menos de treinta y dos millones de lbf/in² o Msi), módulo estándar (de 33 a 36 Msi), módulo intermedio (de 40 a 50 Msi), módulo alto (de 50 a 70 Msi) y módulo ultraalto (de 70 a 140 Msi).
En términos más simples, la fibra de carbono se crea mediante el desplazamiento de una fibra precursora orgánica en una atmósfera inerte a temperaturas superiores a 982,22 °C (1800 °F). Sin embargo, la fabricación de fibra de carbono puede ser una tarea compleja.

fibra de carbono

Polimerización e hilado

Polimerización

El proceso comienza con una materia prima química, denominada precursor, que contiene la estructura molecular de la fibra. Actualmente, casi el 100 % de la fibra de carbono producida se fabrica con precursores a base de tela o brea; sin embargo, la mayor parte proviene del poliacrilonitrilo (PAN), fabricado a partir de nitrito, y el nitrito proviene de los productos químicos industriales propano y amoníaco.

Normalmente, la formulación del precursor comienza con un compuesto de nitrilo de grado asociado que se combina en un reactor con un comonómero acrílico plastificado y un catalizador como ácido, dióxido, aceite de vitriolo o ácido. La combinación continua permite que los ingredientes se combinen, garantizando consistencia y pureza, e iniciando la formación de radicales libres en la estructura molecular del nitrito. Esta modificación da lugar a un proceso químico que produce polímeros de cadena larga que forman fibras acrílicas. Los detalles del proceso químico, como la temperatura, la atmósfera, los comonómeros y catalizadores específicos, son exclusivos. Tras el lavado y el secado, el nitrito en polvo se disuelve en un disolvente orgánico como el sulfuro de dimetilo (DMSO), la dimetilacetamida (DMAC) o la dimetilformamida (DMF), o en un disolvente líquido como el cloruro de alquilo C1-30 y las sales de rodamina. Los disolventes orgánicos ayudan a evitar la contaminación por trazas de partículas metálicas, que podrían perjudicar la estabilidad térmica aerófila del proceso y retrasar el rendimiento térmico de la fibra terminada. En esta etapa, la suspensión de polvo y disolvente, o precursor del "recubrimiento", adquiere la consistencia del jarabe. La selección del disolvente y, por lo tanto, el grado de control de la viscosidad del recubrimiento (mediante filtración profunda) son cruciales para el éxito de las siguientes etapas de formación de la fibra.
Hilado
Las fibras de PAN se fabrican mediante un método llamado hilado en húmedo. El recubrimiento se sumerge en un baño de proceso líquido y se extruye a través de un orificio en una hilera de fibra de vidrio. El orificio se adapta al número requerido de filamentos de la fibra de PAN (p. ej., 12 000 orificios de fibra de carbono 12K). Esta fibra hilada en húmedo, relativamente gruesa y frágil, se estira a través de un rodillo para eliminar el exceso de agente, y luego se seca y se estira para mantener la orientación del compuesto de PAN. En este proceso, la forma y la sección transversal interna de los filamentos se determinan en función de la penetración del disolvente y el agente seleccionados en las fibras precursoras, la tensión aplicada y la elongación axial de los filamentos. Esta última es propiedad de cada fabricante. Una alternativa al hilado en húmedo podría ser un método combinado llamado granallado en seco/hilado en húmedo, que utiliza un espacio de aire vertical entre las fibras y el baño de proceso líquido. Esto produce una fibra de PAN esférica y lisa que mejora la interfaz fibra/colofonia matriz dentro del compuesto. El paso final en la formación de las fibras precursoras de PAN es el uso de aceites de acabado para evitar la aglomeración de los filamentos viscosos. Las fibras blancas de PAN se secan de nuevo y se enrollan en una bobina.
horno de oxidación de fibra de carbono

Oxidación y carbonización

Oxidación

Estas bobinas se cargan en la cesta y, durante la etapa de oxidación, la más larga de la producción, las fibras de PAN se alimentan a través de una serie de hornos dedicados. Antes de entrar en el aparato principal, las fibras de PAN se compactan formando una estopa o lámina llamada urdimbre. La temperatura de la cámara oscila entre los 200 °C (392 °F) y los 300 °C (572 °F).

Para evitar la pérdida de calor descontrolada (la pérdida de entalpía estimada durante la oxidación, calculada en 2000 kJ/kilogramo, aumenta el riesgo de incendio), los fabricantes de electrodomésticos utilizan una variedad de estilos de flujo de aire para disipar el calor y controlar la temperatura. Impulsado por un precursor químico específico, el tiempo de oxidación es diferente; sin embargo, Littler estima que el cable de 24K se oxidará a una velocidad de aproximadamente 43 pies por 13 metros por minuto en una línea de gran tamaño con múltiples hornos de oxidación. Finalmente, las fibras de PAN alteradas (estabilizadas) contienen entre 500 y 65 moléculas de carbono, siendo el resto gas, una mezcla de átomos de carbono 7 y O.
Carbonización
La carbonización se produce en una atmósfera inerte (sin oxígeno) en una serie de hornos especialmente diseñados, aumentando gradualmente la temperatura del proceso. En el cuerpo de agua y la salida de cada cámara, la cámara de mejora impide la intrusión de O, ya que cada molécula de O que pasa por el aparato elimina una pequeña cantidad de fibras. Esto puede prevenir la pérdida de carbono generada a tal temperatura. En ausencia de O, solo las moléculas no carbonadas, incluyendo compuestos orgánicos volátiles (estabilizados a un nivel de 40 a 80 ppm) y partículas (como fragmentos de fibra parcialmente depositados), se eliminan y descargan del aparato para su postratamiento en un horno con ambiente controlado. La carbonización comienza en una cámara de temperatura, donde las fibras se calientan a una temperatura de entre 700 °C (1292 °F) y 800 °C (1472 °F) y termina en una cámara de calor de entre 1200 °C (2192 °F) y 1500 °C (2732 °F). El número de cámaras se determina según el módulo requerido en la fibra de carbono; el alto costo de las fibras de carbono de módulo alto e inmoderado se debe en parte a la duración y la temperatura que debe alcanzar el horno de calor. Si bien la duración es exclusiva y cada grado de fibra de carbono es diferente, la duración de la oxidación se calcula en horas, mientras que la tasa de carbonización se reduce en un orden de magnitud en minutos. Una vez que la fibra cambia de estado, reduce su peso y volumen, su longitud se acorta entre un 5 % y un 100 % y su diámetro. De hecho, la relación cuantitativa de conversión del precursor de PAN a la fibra de carbono de PAN es de aproximadamente 2:1 y la capacidad de desplazamiento es menor que la de un par; es decir, se introduce mucho menos material en el proceso. Este método combina moléculas de O del aire con fibras de PAN en la urdimbre e inicia la reticulación de las cadenas compuestas. Esto aumenta la densidad de la fibra de ~1,18 g/cc a 1,38 g/cc.
Carbonización de fibra de carbono

Tratamiento de superficies y dimensionamiento

Tratamiento de superficies y dimensionamiento
El siguiente paso es esencial para el rendimiento de la fibra y, además de los precursores, es el que mejor distingue el producto de un proveedor del de la competencia. La adhesión entre el compuesto orgánico de la matriz y las fibras de carbono es esencial para reforzar el compuesto; durante el proceso de producción de la fibra de carbono, se aplica un tratamiento superficial para mejorar esta adhesión.

Los fabricantes utilizan métodos de tratamiento completamente diferentes, pero la técnica estándar consiste en revestir las fibras con un producto químico o una célula que contiene la solución, como un desinfectante o un ácido. Estos materiales imprimen o modifican la superficie de cada filamento, lo que aumenta el espacio disponible para la unión entre la fibra y la matriz y añade grupos químicos reactivos como los ácidos carboxílicos. A continuación, se aplica un recubrimiento altamente patentado conocido como cola. En una proporción del 0,5 al 5 % del peso de la fibra de carbono, la cola protege las fibras de carbono en una estructura intermedia, como un paño seco y un preimpregnado, durante todo el proceso (por ejemplo, el tejido). La cola también mantiene unidos los monofilamentos para reducir la pelusa, mejorar la procesabilidad y aumentar la resistencia al corte superficial entre las fibras y el compuesto orgánico de la matriz.

Hora de publicación: 01-nov-2018
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