La fibra de carbono se encuentra cada vez más en aviones, automóviles y aerogeneradores. Todavía está hecha de petróleo y es relativamente cara, sin embargo, esto va a cambiar pronto. Investigadores de los Institutos Alemanes de Investigación de Fibras y Textiles en Denkendorf (DITF) están trabajando en el desarrollo de una fibra de carbono rentable hecha de lignina, un subproducto de la fabricación de papel.
La fibra de carbono tiene una estructura atómica similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono dispuestas en un patrón regular. Las fibras de carbono pueden ser usadas para reforzar plásticos, metales y cerámicas. “Los compuestos de la fibra de carbono la hacen el material más rígido conocido por el hombre, pero bajo en densidad”, dice el Dr. Erik Frank, quien lidera el departamento de Fibra de Carbono y Nuevos Materiales de DITF. Los componentes ligeros que necesitan para tolerar cargas pesadas o resistir altas temperaturas suelen contener fibra de carbono.
Dichos componentes incluyen escudos térmicos en naves espaciales y fuselajes de aeronaves, la carrocería y discos de freno de los coches de Fórmula 1, cuadros de bicicletas de montaña, esquíes y otros equipos deportivos. Sin embargo, las fibras de carbono son diez veces más caras que los materiales de refuerzo convencionales como la fibra de vidrio o el acero. Cuesta al menos 15 euros por kilo. Por lo tanto, la fibra de carbono se utiliza por lo general en productos de alta gama.
La Carbon Composites Association estima que la demanda global de la fibra de carbono subirá de 70,5 toneladas en 2017 a alrededor de 120,5 toneladas en 2022. Como material de construcción ligero, se está volviendo más atractivo para los coches eléctricos, permitiéndoles recorrer mayores distancias. La fibra de carbono también podría jugar un papel principal en la construcción de las palas de rotor de turbina eólica, cada vez más grandes. En la industria de la construcción, se podía utilizar como sustituto de los refuerzos de concreto de acero que son susceptibles a la corrosión.
Lignina, subproducto de la fabricación del papel / Noyeroverseas
La lignina, un recurso barato y renovable
Frank espera que el precio de la fibra de carbono se reduzca a la mitad en unos pocos años. Los investigadores de Denkendorf están investigando la lignina y otros materiales para determinar su idoneidad como precursores de fibra de carbono renovable de uso eficiente. Junto con once socios, los investigadores de DIFT esperan llevar al mercado fibras de biocarbono como parte del proyecto de la UE LIBRE (fibras de carbono para compuestos a base de lignina).
La lignina es un polímero que asegura la lignificación de pastos, arbustos y árboles. Rellena los espacios entre las fibras de celulosa en las paredes celulares de las plantas, haciéndolas rígidas. La presencia de lignina mantiene robustas y erguidas incluso a las secuoyas de hasta 100 metros de altura.
Cada año, millones de toneladas de lignina se acumulan como material residual en las fábricas de papel. La práctica actual es quemarlo, pero los socios del proyecto ahora están trabajando en la transformación del polvo beige-marrón en un material que se puede hilar para luego convertirlo en otro proceso en fibras de carbono de color antracita.
En la actualidad, las fibras precursoras están hechas de poliacrilonitrilo y se producen mediante un delicado y tedioso proceso de hilado en banda. “Esto representa la mitad del costo de la producción de fibra de carbono”, explica Frank. Además, tanto el acrilonitrilo (el material básico) como los disolventes utilizados son tóxicos. Por lo tanto, los gases de escape producidos durante el proceso de tratamiento térmico deben limpiarse laboriosamente. El tono a veces, aunque rara vez, se usa como base para producir fibra de carbono especialmente rígida y extensible. Sin embargo, este tipo de tratamiento es incluso más caro que el descrito anteriormente.
“En nuestro caso, preparamos las fibras precursoras utilizando un proceso de hilado en fusión más económico que no requiere el uso de disolventes”, explica Frank. La lignina tiene un alto punto de fusión, por lo que primero los investigadores necesitan hacerla fundible. El equipo de Frank modifica la lignina químicamente o la mezcla con aditivos fundibles.
Desarrollando las capacidades de la lignina / Biorizon
Filamentos más delgados que el pelo humano
La mezcla de lignina sedimentada se puede entonces derretir en la planta de hilado por fusión en la fábrica de Denkendorf a temperaturas de 250 °C. Un tornillo impulsa la masa suave de la extrusora -como una picadora de carne- y la empuja a través de varios cientos de orificios de boquillas. Las fibras, que son diez veces más delgadas que el pelo humano, se endurecen en el aire y se enrollan alrededor de las bobinas. Las fibras pueden tener varios kilómetros de largo.
Las fibras entonces deben volver a ser inmutables de nuevo. Se pasan a través de un horno de convección, en el que el aire cada vez más caliente hace que las moléculas de lignina se reticulen. Los investigadores de Denkendorf han desarrollado, en cooperación con Centrotherm International AG con sede en Blaubeuren, un nuevo horno, que se espera que sea especialmente eficiente en energía y que reduzca aún más los costos de producción. “El horno utiliza un vacío parcial, lo que hace que las fibras de carbono sean más homogéneas y les dé mejores propiedades mecánicas”, dice Frank. Además, se espera que el tiempo requerido para la reacción de reticulación se pueda reducir del tiempo actual entre una hora y 30 minutos.
En el paso final, es decir, en la carbonización, casi todos los elementos químicos, excepto el carbono, están separados de la fibra. Esto se hace en un horno de alta temperatura a más de 1000 °C bajo una atmósfera de nitrógeno. La fibra de carbono a base de lignina de Denkendorf ahora tiene una resistencia a la tracción de 1,8 gigapascales y una rigidez de hasta 200 gigapascales. “Por lo tanto, los valores de resistencia a la tracción y rigidez son más altos que los del acero de alta aleación, mucho más pesado”, dice el químico.
Equipos de investigación tratan de hacer rentable la lignina / Interempresas
Status quo: bajo rendimiento de carbono y fibras quebradizas
En los años sesenta y setenta, los investigadores empezaron a producir fibra de carbono a base de lignina. La lignina tiene la ventaja de que consiste en un 60 % de átomos de carbono y tiene la preestructura subsecuente fibra de carbono. Sin embargo, el rendimiento y la calidad del carbono han sido bajos. Con el proceso patentado en la actualidad, el equipo de Frank puede recuperar la mitad de la cantidad de carbono presente originalmente en la lignina. Cualquier cosa por debajo de este valor no sería económico. Por lo tanto, el rendimiento de carbono es similar al de la fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo y es más alto que el de la celulosa, otra alternativa de materia prima de base biológica.
El mayor problema hasta ahora ha sido que las largas cadenas poliméricas de lignina se rompen en fragmentos durante el proceso de reducción de pulpa de celulosa en la industria del papel. La fibra precursora se vuelve quebradiza y frágil y, por lo tanto, es difícil de procesar. Para evitar esto y estabilizar la fibra precursora, el equipo de Frank mezcla la mezcla de lignina con celulosa de alto peso molecular antes de introducirla en el proceso de fusión.
A largo plazo, sin embargo, Frank quiere usar solo lignina pura porque la lignina y la celulosa interfieren entre sí. “Tomamos pequeños fragmentos de lignina y los conectamos en una larga cadena de moléculas a través de un componente químico”, explica el químico. Como resultado, los precursores de fibra de carbono se pueden producir exclusivamente a partir de lignina barata.
El proyecto LIBRE, de cuatro años, durará hasta 2020. En ese momento, los investigadores de Denkendorf esperan poder producir varios kilos de fibra de carbono basada en lignina. Los socios del proyecto probarán los compuestos de fibra de carbono para su uso en turbinas eólicas y componentes automotrices.
