La Fibra de Carbono: sus historia, utilizaciones y utilidades

1. Historia de la fibra de carbono

    La fibra de carbono de poliacrilonitrilo (PAN), un material constituido por filamentos acrílicos sumamente finos compuestos principalmente por átomos de carbono, fue desarrollado a finales de los 50 en el Instituto de Investigaciones Industriales del Gobierno del Japón, en Osaka la cual era la oficina regional de Kansai del Organismo de Ciencia y Tecnología Industrial (AIST).

 
    En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono. Se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente. Las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez.

    En la década de 1960, continuaron las investigaciones obteniendo fibras que contenían hasta un 55% de carbono. Fue la empresa Rolls-Royce quien continuaría las investigaciones para conseguir materiales más ligeros y resistentes de piezas para la aeronáutica. Pero sus intentos no verían el éxito. Bien entrada la década de los 70, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.

    Hoy día podemos ver multitud de objetos creados con fibra de carbono. Podemos encontrarlo en carcasas de ordenadores y móviles, barcos, molinos eólicos, automóviles y aviones.

 
    La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. Se colocan al azar, juntas. Esta integración de las láminas es responsable de su alta resistencia.

    Es un material ligero y elástico y tiene una alta resistencia mecánica. Posee una alta fortaleza ante agentes externos, una gran capacidad como aislante térmico y conserva su forma ante variaciones de temperatura.

2. Proceso de obtención

    La fibra de acrbono es producida mediante filamentos, cada uno de estos se compone a partir del PAN (poliacrilonitrilo) o una fibra derivada del petróleo. Además de estos como maeriales principales se suele mezclar con metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo, para posteriormente hilarlo en filamentos mediante diferentes procesos quuimicos y mecanicos los uales consiguen alinear el material. Despues de esto las fibras de polimero se calientan para eliminar todos lpos atomos que no sean de fibra de carbono y posteriormente obtener el material final.

    El metodo más común de fabricacion de este elemento es: 

        1.Se calienta los filamentos de carbono en una atmósfera con aire a aproximadamente 300ºC, con esto se consigue romper muchos de los enlaces de hidrógreno y oxida la materia.
        2. Una vez oxidado el PAN es colocado en un horno el cual tiene una atmosfera de gas argón y es calentado a 2000ºC, con esto se introduce la grafitización del material cambiando los enlaces de la estructura molecular. Si es calentado adecuadamente se consiguen láminas de grafeno mediante la unión de de las previas cadenas, y estas laminas luego se uniran formand un filamento cilindrico, normalmente compuestos del 93-95% de carbono.

    Dependiendo de la temperatura a la que se caliente el material se obtienen diferentes propiedades, El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción (820.000 psi , 5.650 MPa o N/mm²), mientras que la fibra de carbono calentada de 2500 hasta 3000°C (grafitización) muestra un alto módulo de elasticidad (77.000.000 psi o 531 GPa o 531 kN/mm²).

3.Aplicaciones actuales del material

    En la actualidad las aplicaciones de la fibra de carbono,cada dia son mas comunes. Muchos de los elementos que podemos llegar a utilizar diariamente estan compuestos de fibra de carbono, muchas de las prendas de ropa que nos podemos poner sobre todo las mas ligeras como podrían ser unas mallas estan compuestas de este o muchos de los componentes de los coches de media alta gama llevan algun componente el cual esta compuesto de fibra de carbono. Hay muchas industrias que lo utilizan hoy en dia como:

      

        

        Automovilismo: silenciadores y 

        tubos de escape, protectores para         depósitos, puertas, parachoques          y carrocería, capós, entradas de             aire, llantas y ruedas...        

        Aeroespacial: aviones, resortes,            piezas ligeras...

 

        Náutica: barcos y yates, mástiles         y aspas...

 

        Deporte: bicicletas y cascos,                  cañas de pesca, patines, raquetas,         palas, remos, bastones...

         Música: instrumentos, fundas,             accesorios...

        Complementos: gafas, carteras,            pulseras y relojes (joyería en                general)...

        

          Medicina: prótesis y muletas...

        Electrónica y robótica,                            ordenadores,trípodes para                        fotografía, drones y teledirigidos...

       

        

        

        Construcción: refuerzos                            estructurales para edificios...

        

        

4.Perspectivas futuras de la fibra de carbono

    La perspectiva futura de la fibra de carbono es una de las mas amplias del mercado actual. Sus propiedades además de su fácil fabricación la hacen que sea un material muy versátil y utilizable en la vida común, a día de hoy como he nombrado en el campo anterior tiene muchas utilidades las cuales se verán ampliadas en los próximos años. Ademas de las que he nombrado y enseñado, también podemos encontrar prendas de ropa incluso cubertería hechas de este material.

5.Zonas de producción de la fibra de carbono

    Hay muchas emprsas las cales fabrican fibra de acrbono a lo largo del mudo. Pero hay 8 que podrían ser la principales del monopolio:

        ⟶ Hexcel: fundada en 1948, Hexcel produce fibras de carbono PAN en los EE. UU. Y Europa y tiene un gran éxito en el mercado aeroespacial. Las fibras de carbono Hexcel , que se venden bajo el nombre comercial HexTow, se pueden encontrar en muchos componentes compuestos aeroespaciales avanzados, aunque la compañía no se ha diversificado hacia una utilidad terrestre más práctica de su producto. Las fibras de carbono han comenzado recientemente a reemplazar al aluminio en la ingeniería aeroespacial debido a su fuerza y ​​resistencia a la corrosión galvánica que ocurre en el espacio. 

    Hexcel tiene una filial en castilla la mancha la cual produce un 10% de la fibra de carbono en el mundo. 

        ⟶ Mitsubishi Rayon Co. Ltd(MRC): una subsidiaria de Mitsubishi Chemical Holdings, produce fibras de carbono de filamento PAN que se utilizan en aplicaciones compuestas donde se requiere peso ligero y alta resistencia. La filial estadounidense, Grafil, fabrica fibra de carbono con el nombre comercial Pyrofil. Aunque el producto de MRC se puede usar para ingeniería aeroespacial, se usa más comúnmente en equipos y equipos comerciales y recreativos, como chaquetas y guantes de motocicleta, y en equipos deportivos a base de carbono, como palos de golf y bates de béisbol.        

        ⟶ Nippon Graphite Fiber Corp: con sede en Japón, fabrica fibras de carbono a base de brea desde 1995 y ha hecho que el mercado sea considerablemente más asequible.
Las fibras de carbono Nippon se pueden encontrar en muchas cañas de pescar, palos de hockey, raquetas de tenis, varillas de palos de golf y cuadros de bicicletas debido a la mayor durabilidad del material compuesto y al relativo bajo costo del producto.

        ⟶ Solvay: que adquirió Cytec Engineered Materials (CEM) en 2015, fabrica fibras con los nombres comerciales de Thornel y ThermalGraph. Es un fabricante de fibras de carbono continuas y discontinuas, fabricadas a partir de procesos basados ​​en brea y PAN. Las fibras de carbono continuas tienen alta conductividad y son muy adecuadas para aplicaciones aeroespaciales . Fibras de carbono discontinuas que, cuando se combina con los termoplásticos, son muy adecuadas para el moldeo por inyección .

        ⟶ Toho Tenax: fabrica su fibra de carbono utilizando el precursor PAN. Esta fibra de carbono se usa comúnmente en la industria automotriz, aeroespacial, de artículos deportivos y otros campos debido a sus costos relativamente bajos pero de alta calidad y durabilidad.
Los corredores y esquiadores profesionales de motocicletas a menudo usan guantes hechos con fibras de carbono Toho Tenax. La compañía también ha suministrado materiales utilizados en la construcción de trajes espaciales de astronautas.

         ⟶Toray: fabrica fibras de carbono en Japón, Estados Unidos y Europa. Usando un método basado en PAN, la fibra de carbono Toray se fabrica en varios tipos de módulos.
La fibra de carbono de módulo más alto suele ser más cara, pero se requiere menos debido al aumento de las propiedades físicas, lo que hace que estos productos sean populares en todos los campos a pesar del mayor costo.

         ⟶ Zoltek: La fibra de carbono fabricada por Zoltek, una subsidiaria de Toray, se puede encontrar en numerosas aplicaciones que incluyen aeroespacial, artículos deportivos y áreas industriales como la construcción y equipos de seguridad.
Zoltek afirma fabricar la fibra de carbono de menor costo del mercado. PANEX y PYRON son nombres comerciales de las fibras de carbono Zoltek  

6. Impacto ambiental de la fibra de carbono

    Debido a sus propiedades la fibra de carbono es una material muy difícil de reciclar deido a sus propiedades mecánicas. Desde un principio este material tiene un impacto medioambiental debido a su proceso de fabricación ya que tiene algunos procesos químicos, como puede ser la combustión los cuales liberan gases contaminantes y aunque se filtren llegan a contaminar en este caso el aire. Una vez la vida útil del producto ha terminado su proceso de reciclaje es muy costoso y debido a esto hoy en día hay , muy pocas compañías las cuales sean capaces de reciclar este material. Actualmente, la única empresa que utiliza fibra de carbono reciclada es BMW empresa que utiliza ester material en la fabricación de partes de coches en sus series I (eléctricos) y serie 7, BMW obtiene estos materiales provenientes de la empresa SGL Auto-motive Carbon Fibres (ACF). Debido a que el coste es muy amplio las empresas optan al igual que con el plástico y otros envases por enterrarlos bajo tierra en vertederos y esto conlleva un impacto medioambiental mu grande.

7. Norma ISO la cual afecta al material

    La UNE junto a la ISO han formado una norma la cual entro en vigor en 2005 y determina las propiedades en tracción de hilos impregnados en resina de la fibra de carbono, esta norma es la 

UNE-EN ISO 10618:2005