Carbono y Aramida, del concepto a la producción

Diego José Alcaraz Lorente. Dpto. de Ingeniería de Materiales y Fabricación. Universidad Politécnica de Cartagena16/06/2007

En un material compuesto, las fibras constituyen el componente que proporciona resistencia mecánica y rigidez a la matriz que modifican y, además, pueden ofrecer otras propiedades valiosas e interesantes como resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fluencia... En función de los requisitos de diseño, es factible seleccionar una combinación matriz-fibra idónea para fabricar un componente con un elevado valor de uso. El composite obtenido tendrá las propiedades deseadas para una aplicación particular, o general, a un precio razonable, aunque el coste de las fibras sea alto [1].

Las fibras de vidrio, por su bajo precio y versatilidad, son el esfuerzo más empleado en materiales compuestos de matriz polimérica (PMC, “Polymer-matrix composites”). Sin embargo, va aumentando la competencia que sobre ellas ejercen las fibras de carbono y de aramida. Estas fibras, de altas prestaciones, presentan un conjunto de propiedades que compensa sus costes y las convierte, para determinados usos, en una alternativa a la clásica fibra de vidrio. Además, en un PMC, consiguen que este material pueda reemplazar a otros utilizados tradicionalmente en diversas aplicaciones.

La principal dificultad de los PMC es que su temperatura de trabajo está limitada, en la mejor de las situaciones, a unos 350ºC. A temperaturas mayores es necesario emplear composites con matriz metálica (MMC, “Metal-matrix composites”) o composites con matriz cerámica (CMC, “Ceramic-matrix composites”). Adicionalmente, los MMC se adaptan mejor a ciertos requerimientos relacionados con las conductividades térmica o eléctrica, la estabilidad frente a radiaciones... Las fibras de carbono, por sus peculiares cualidades, se pueden usar como refuerzo tanto de matrices metálicas como de matrices cerámicas.

Se atribuye a Edison el uso de las primeras fibras de carbono comerciales, logradas por la carbonización de fibras de algodón y bambú, para producir filamentos de lámparas de incandescencia. Sin embargo, el empleo como refuerzo de estas fibras se sitúa a finales de los años 50. Actualmente, las materias primas (o precursores) para la fabricación de fibras de carbono son, ordendas por volumen de utilización, el poliacrilonitrilo (PAN), determinadas derivadas del carbón y petróleo (breas, alquitranes), y el rayón [2].

Los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono son más ligeros y resistentes que determinados aceros al carbono. Su comportamiento frente a la fatiga es superior al de los metales y, cuando se combinan con los polímeros adecuados, constituyen uno de los tipos de materiales más resistentes al deterioro ambiental. Ciertas fibras obtenidas de breas y alquitranes de carbón o petróleo (fibras “pitch”) poseen conductividades térmicas tres veces superiores a la del cobre. Gracias a su conductividad eléctrica, los materiales que contienen estas fibras eliminan con facilidad la electricidad estática (por ejemplo, en componentes de ordenadores). Estas fibras tienen alta temperatura de fusión y no reblandecen con el calor, permitiendo su aplicación a altas temperaturas. Es más, su resistencia mecánica se incrementa con la temperatura en atmósferas no oxidantes [3].

Los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono son más ligeros y resistentes que determinados aceros al carbono

La tabla 1 relaciona varias características, o combinaciones de ellas, y aplicaciones que posibilitan el uso de las fibras de carbono en muy diversos sectores. Estas propiedades únicas son el resultado de la estructura (microestructura) de la fibra de carbono.

Tabla 1

La estructura de las fibras de carbono

La figura 1a constituye una representación esquemática de la estructura que presentan estos materiales [4,5]. De acuerdo con ella, una fibra de carbono está constituida por paquetes de capas de átomos de carbono con diferentes orientaciones respecto al eje de la fibra. La ordenación de los átomos de carbono en las capas es similar a la del grafito (Figura 1b), razón por la que se las suele designar como capas de grafeno.

Este tipo de estructura implica que la fibra va a presentar una anisotropía en sus propiedades, cuyos valores vienen determinados, entre otros, por los siguientes factores:

La existencia de fuertes enlaces covalentes carbono-carbono en las capas, en contraste con las débiles fuerzas de van der Waals que actúan entre capas.
La perfección de la orientación tanto en sentido longitudinal como transversal.
Presencia de picaduras, poros y grietas.
El tipo de precursor usado.
Proceso de fabricación empleado y condiciones en las que se realiza.

Figura 1a. Estructura de las fibras de carbono. Figura 1b. Átomos de carbono en las capas planas de grafeno.

Tipos y propiedades de las fibras de carbono

Las fibras de carbono se suelen clasificar atendiendo a dos criterios: tipo de precursor y valor de su módulo de elasticidad. De acuerdo con el segundo criterio se distinguen cinco clases, o calidades, de fibras: SM (“Standard modulus”), UHM (“Ultra-high modulus”), HM (“High modulus”), HT (“High tenacity-high strength”) o IM (“Intermediate modulus”), y LM (“Low modulus”).

Las tablas 2 y 3 recogen diversas propiedades para fibras obtenidas de diferentes precursores y con distintos grados de calidad [3]. La anisotropía del refuerzo queda reflejada en la tabla 4, que muestra los valores del módulo de Young en direcciones axial y transversal para cinco fibras seleccionadas [3,5].

(a) fibras para usos generales; (b) fibras para aplicaciones aeroespaciales

Tabla 2. Valores de propiedades para fibras obtenidas a partir de PAN como precursor.

Tabla 3. Valores de propiedades para fibras “pitch”.

Tabla 4. Variación del módulo de Young según la dirección considerada en fibras de carbono

Las fibras de aramida

La primera fibra de aramida (para-aramida) surge, en los inicios de la década de los 70, como consecuencia de los trabajos de Stephanie Kwolek y colaboradores en DuPont [6]. Comercializada bajo el nombre de Kevlar, sus primeras aplicaciones fueron el refuerzo de neumáticos y de polímeros.

Las características de ligereza, alta resistencia mecánica y elevada tenacidad han permitido su utilización en numerosos sectores (materiales compuestos, sustitución del asbesto, fabricación de cables y tirantes para sujeción de diversos tipos de estructuras, protección antibalística, tejidos y ropas de protección personal...). Posteriormente, se han desarrollado otras fibras de aramida, entre las que destacan las resultantes de la mejora del primitivo Kevlar y las conocidas con las denominaciones comerciales de Twaron [7] y Technora [8].

Una clasificación útil de las fibras de aramida es la que se realiza atendiendo a los valores de módulos de elasticidad que presentan. De acuerdo con este criterio, resultan tres grupos de fibras:

De bajo módulo (“low modulus”, LM).
Con módulo intermedio (“intermediate modulus”, IM).
De alto módulo (“high modulus”, HM).

La tabla 5 recoge distintas propiedades para fibras típicas de bajo y de alto módulo [3]. El módulo de Young específico es una propiedad clave para el empleo de materiales compuestos en la industria aeroespacial. Los valoes de esta propiedad para las fibras de aramida son más elevados que los correspondientes a las fibras de vidrio, pero inferiores a los que se encuentran con las fibras de de carbono. La temperatura máxima recomendada para el uso continuado de estas fibras es de 160 ºC [9].

Tabla 5. Valores de propiedades mecánicas para fibras de aramida de bajo y alto módulo de elasticidad

Las fibras de Kevlar

El Kevlar es una poliamida aromática denominada poli-(parafenileno tereftalamida), o PPTA, que se puede formular como:

Figura 2: Fórmula de las macromoléculas de Kevlar.

Los anillos aromáticos confieren rigidez a las macromoléculas. En la figura 3a se indica como las macromoléculas de PPTA, que se encuentran unidas por enlaces por puentes de hidrógeno, forman hojas planas rígidas. Éstas se ordenan en forma de sistema radial de láminas plegadas axialmente (Figura 3b), constituyendo las fibras que presentan una marcada anisotropía [10].

Los procesos utilizados para fabricar estas fibras originan una orientación de las macromoléculas paralelamente al eje de la fibra, con la consiguiente mejora de las propiedades mecánicas en esa dirección. También, la estructura de las fibras es la responsable de la escasa resistencia a la compresión que exhiben estos materiales.

Las características destacadas, y comunes, a las diferentes fibras de Kevlar se pueden resumir en:

Alta relación resistencia mecánica/peso.
Rigidez estructural (elevado módulo de Young y bajo alargamiento a la rotura).
Elevada tenacidad. Resistencia a la fatiga.
Rotura dúctil, no frágil como las fibras de vidrio y de carbono.
Son aislantes eléctricos.
Alta resistencia química. Tolerancia general al deterioro ambiental, aunque la radiación ultravioleta puede degradar el material.
Pequeña contracción térmica.
Excelente estabilidad dimensional.
Alta resistencia al corte.
Elevado grado de estabilidad térmica (temperatura de descomposición, en aire: 425 ºC).
Baja conductividad térmica.

Figura 3 a. Macromoléculas de poli-p-fenileno tereftalamida. Figura 3b. Esquema de la estructura de las fibrsa de Kevlar 49.

Tabla 6. Valores de propiedades para fibras de Kevlar.

La tabla 6 reúne algunas propiedades de los tipos de fibras Kevlar más habituales, denominados 29, 49 y 149.

Las fibras de Twaron

Constituyen otra variante de fibras de poli-(parafenileno tereftalamida) con numerosos usos: refuerzo de cables de fibra óptica, protección antibalística, composites (para sectores tales como el naval, la construcción, la ingeniería civil, el transporte), mejora de cauchos y elastómeros, materiales avanzados para aplicaciones tribológicas...

Entre las características de estas fibras destacan [7]:

Baja densidad
Alta resistencia a la tracción y módulo de Young (rigidez).
Pequeño alargamiento a la rotura. Rotura dúctil.
Tenacidad extremadamente alta.
Elevada resistencia al impacto.
Escasa fluencia.
Alta flexibilidad
Estabilidad y resistencia químicas.
Bajo (negativo) coeficiente de expansión térmica.
Temperatura de descomposición térmica de 450 ºC. Altas resistencias al calor y a la llama.
Estabilidad dimensional.
Buen comportamiento dieléctrico.

Tabla 7. Valores de propiedades para fibras de Twaron.

Las fibras de Technora

Technora es el nombre comercial del copolímero “co-poli-(parafenileno/3,4´-oxidifenileno tereftalamida)”, cuya fórmula es:

Figura 4. Fórmula de las macromoléculas de Technora.

Sus principales características son las siguientes [8]

Elevada resistencia a tracción.
Buen comportamiento a fatiga cuando se compara con otras fibras de alta tenacidad.
Estabilidad dimensional (bajas fluencia y contracción térmica).
Son aislantes eléctricos.
Resistencia al calor. Su temperatura de descomposición es de 500ºC. Se puede emplear a 200 ºC durante largos períodos de tiempo. A 250ºC, mantiene más de la mitad de resistencia a la tracción que posee a temperatura ambiente.
Resistencia química. Exhibe un excelente comportamiento frente a ácidos, álcalis y disolventes orgánicos. Es también resistente al agua al mar y al vapor de agua.

La tabla 8 recoge diversas propiedades de las fibras de Technora [8].
Las fibras de Technora se emplean con diversas finalidades entre las que destacan:

Materiales para la sujeción de componentes y estructuras (cables, tirantes...)
Refuerzo de materiales de construcción
Materiales para la protección y seguridad personal (ropas, guantes...)
Refuerzo de cauchos y elastómeros (automóviles, maquinaria...)
Fabricación de composites.

Comparativa de fibras. composites con fibras de carbono o de aramida

La elección de un tipo de fibra para una aplicación determinada dependerá de los requerimientos exigidos. La comparación de sus propiedades mediante diagramas o tablas constituye un elemento útil en la elección de las fibras para un uso dado. Ejemplo de ello son la figura 5, que representa resistencia a la tracción y módulo elástico específicos para diferentes fibras, y la tabla 9, que incluye una calificación de estos materiales en relación con diversas propiedades. Esta clasificación se gradúa desde el valor A, que indica un comportamiento bueno de la fibra frente a ese parámetro, al valor C indicador de que es mediocre o malo.

Figura 5. Resistencia a la tracción y módulo elástico específicos para diferentes fibras.

Tabla 9. Comparación de fibras según su comportamiento ante diversos parámetros.

Al igual que los de fibra de vidrio, los materiales compuestos con fibras de carbono y de aramida incluyen una amplia gama de fabricados: hilos, tejidos, fibras cortas...[11,12]. La mayoría de los procedimientos de fabricación de composites con matrices poliméricas reforzadas con fibras de carbono, o de aramida, son similares a los empleados para las fibras de vidrio: pultrusión, bobinado, moldeo por transferencia de resina o RTM, SCRIMP... [3,11,12]. Las matrices poliméricas usadas incluyen una amplia variedad de materiales: resinas epoxi, de poliéster, poliamidas, resinas fenólicas, siliconas, PEEK... [3,11-13].

Por su parte, las fibras de carbono encuentran ademàs aplicación como integrantes de materiales compuestos con matrices metálicas y cerámicas [3,13,14]. Entre las matrices metálicas reforzadas con estas fibras se hallan aleaciones de aluminio, cobre, magnesio y titanio. Dos tipos de composites con matriz cerámica muy empleados son aquéllos constituidos por fibras de carbono distribuidas en el seno de matrices de carbono y de carburo de silicio.

Conclusiones

Las fibras de carbono y de aramida presentan una combinación de propiedades que compensa sus precios y las convierten, para determinadas aplicaciones, en una alternativa al refuerzo con fibra de vidrio empleado en materiales compuestos con matriz polimérica. Por sus características, las fibras de carbono se pueden utilizar tanto en matrices metálicas como cerámicas.

Las fibras de carbono sobresalen por poseer un excelente conjunto de propiedades mecánicas que superan, en general, a las presentadas por las fibras de aramida. Estas últimas destacan por su baja densidad, su resistencia al impacto y su comportamiento como aislantes térmicos.

Los materiales compuestos con fibras de carbono y de aramida incluyen una amplia gama de fabricados. La mayoría de los métodos de fabricación de composites con matrices poliméricas que contienen estas fibras son similares a los usados para fibras de vidrio.

Bibliografía

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