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Fibras de carbono obtenidas de biomasa

La creciente demanda de materiales compuestos ligeros de altas prestaciones impulsa el desarrollo de la industria de la fibra de carbono. Investigadores europeos han obtenido precursores de fibras de carbono innovadores y de bajo coste a partir de biomasa renovable con el fin de satisfacer esta creciente necesidad.

© Ppictures, Shutterstock

Alrededor del 80 % de las fibras de carbono disponibles actualmente en el mercado utilizan poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima de partida, puesto que obtiene unas propiedades superiores a las fibras de carbono basadas en el alquitrán. No obstante, las fibras de carbono fabricadas con PAN son costosas, lo cual limita su aplicación a la aeronáutica, el sector militar y otros ámbitos que requieren materiales de altas prestaciones y, en consecuencia, aceptan el elevado coste de los materiales.

El proyecto financiado con fondos europeos CARBOPREC afrontó este desafío desarrollando precursores de bajo coste para fibras de carbono nanoestructuradas elaboradas a partir de materiales renovables ampliamente disponibles en Europa. «La lignina y la celulosa reforzadas con nanotubos de carbono permiten producir fibras de carbono rentables con unas prestaciones medias para aplicaciones del mercado general, por ejemplo en automóviles o aspas de turbinas eólicas», afirma la doctora Célia Mercader, investigadora en CANOE, un centro de I+D especializado en el desarrollo de productos acabados y semiacabados en el ámbito de los materiales compuestos y avanzados.

Propiedades mejoradas

Junto a la celulosa, la lignina es el polímero de origen vegetal más abundante del mundo; está presente en las células de las paredes de prácticamente todas las plantas de secano. Los socios del proyecto obtuvieron lignina de alta pureza utilizando disolventes orgánicos para descomponer la madera blanda; después, la hilaron en una mezcla con polímeros termoplásticos para obtener fibras a base de lignina.

Los investigadores estudiaron dos procesos de fibras blancas para producir fibras continuas. El primero se basó en un enfoque de hilatura húmeda de la celulosa disuelta en ácido fosfórico; el segundo emplea la hilatura por fusión mediante la extrusión de la lignina. La investigación del proceso de carbonización y los diferentes pasos de funcionalización permitieron obtener un mejor rendimiento de la carbonización y un valor añadido a través de fibras de carbono desarrolladas en las aplicaciones finales objetivo.

Las fibras de carbono obtenidas a partir del precursor de celulosa poseían las propiedades mecánicas deseadas, por lo que eran adecuadas para los procesos asociados, que implicaban la hilatura húmeda de la celulosa y la carbonización. El equipo desarrolló un reactor, una bomba para hilar y un conjunto de hilar nuevos para la hilatura de celulosa que se montaron en las instalaciones de CANOE, permitiendo la disolución de la celulosa en ácido fosfórico con nanotubos de carbono.

Compuestos de bajo coste

Se ha solicitado una patente para el proceso de carbonización y el tejido carbonizado empleados para producir las piezas del demostrador, incluyendo una aspa de turbina eólica fabricada con fibras de carbono de celulosa y resina termoplástica. «Este demostrador presentó un buen comportamiento mecánico en comparación con la misma pieza fabricada con las antiguas fibras de carbono de PAN», comenta la doctora Mercader. Otro resultado clave de CARBOPREC fue completar la modelización del análisis del ciclo de vida.

Las formulaciones basadas en lignina y celulosa de alta pureza permitieron una dispersión homogénea de los nanotubos de carbono en el polímero. La optimización del proceso de carbonización incrementó el rendimiento de la celulosa en hasta un 25 % y hasta un 40 % en el caso de la lignina. La sustitución del paso de oxidación por el paso de tratamiento con plasma simplificó el proceso de fabricación y mejoró la resistencia a la tracción de las fibras de carbono.

CARBOPREC mejoró el aprovechamiento comercial de los resultados de I+D, que se pueden aplicar a numerosos ámbitos, tales como la automoción, los nanocompuestos, la construcción, la energía, los materiales de base biológica y los textiles. «Ayudará a la industria a cumplir la nueva normativa de la Unión Europea en materia de emisiones de los vehículos mediante el uso de piezas de compuestos de bajo coste para reducir el peso de los vehículos, permitiendo la fabricación de aspas de turbinas eólicas más largas que sean tanto ligeras como rígidas, de forma que captan más energía», destaca la doctora Mercader. DE EN FR IT PL Temas Scientific Research Palabras clave CARBOPREC, fibra de carbono, carbonización, poliacrilonitrilo (PAN), nanotubos

» Reference: Project ID: 604215 Financiado con arreglo a: FP7-NMP País: Francia

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This project has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° [310187].