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Articulo de referencia

Fibra de carbono a base de brea

La fibra de carbono se produce a menudo mediante dos métodos principales: a partir de poliacrilonitrilo (PAN) y de brea. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La brea es un material viscoelástico c...

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La fibra de carbono se produce a menudo mediante dos métodos principales: a partir de poliacrilonitrilo (PAN) y de brea. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La brea es un material viscoelástico compuesto de hidrocarburos aromáticos. Se produce mediante la destilación de materiales a base de carbono, como plantas, petróleo crudo y carbón. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La brea es isotrópica, pero puede volverse anisotrópica mediante tratamientos térmicos. Sin embargo, la más importante en la producción de fibra de carbono es la brea mesofásica debido a su capacidad para fundirla y hacerla anisotrópica sin que se rompa el filamento.

La brea de mesofase forma un cristal termotrópico , lo que permite que se organice y forme cadenas lineales sin necesidad de tensión. La brea de mesofase se obtiene polimerizando brea isotrópica a un peso molecular mayor. Su punto de fusión es de aproximadamente 300 °C. Una ventaja de las fibras de carbono de brea sobre las de PAN es que no requieren tensión constante en todas las etapas del proceso. Se ha observado que las fibras de carbono de brea presentan una estructura cristalina  más laminar , a diferencia de las de PAN, que son más granulares. [ 4 ]

Existen cuatro pasos principales en la producción de fibra de carbono a partir de brea: 1) hilado por fusión, 2) oxidación/precarbonización, 3) carbonización y 4) grafitización. [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]

1) El hilado por fusión es el método de formación de fibras mediante el enfriamiento rápido de una masa fundida; debido a la alta velocidad de enfriamiento, la brea de mesofase puede orientarse considerablemente. La brea de mesofase se puede hilar por fusión, pero debido a sus características de flujo, el proceso puede resultar difícil. [ 7 ] La viscosidad de la brea de mesofase es más sensible a la temperatura que la de otros materiales hilados por fusión. Por lo tanto, durante la creación de fibras a base de brea, la temperatura y la velocidad de transferencia de calor deben controlarse cuidadosamente.

2) La oxidación/precarbonización se utiliza para reticular las fibras hasta el punto en que no puedan fundirse ni fusionarse entre sí. [ 1 ] Este paso es extremadamente importante porque produce fibras estables a las altas temperaturas de carbonización y grafitización; de lo contrario, las fibras fallarían en esas etapas del proceso. Se ha informado que la reticulación se produce principalmente mediante la formación de éteres a partir de C=O o COH. [ 8 ]

3) La carbonización es el proceso de eliminación de todos los elementos no orgánicos. En el caso de las fibras de carbono, se eliminan todos los elementos excepto el carbono. Esto se logra calentando las fibras a altas temperaturas en un ambiente sin oxígeno. [ 6 ] [ 9 ] Este paso elimina todas las impurezas de las fibras y deja estructuras de carbono cristalino. Estas estructuras son mayoritariamente hexagonales y están compuestas enteramente de carbono.

4) La grafitización es el proceso de tratar las fibras a altas temperaturas para mejorar la alineación y orientación de las regiones cristalinas a lo largo de la dirección de la fibra [1,8]. Al alinear, apilar y orientar las regiones cristalinas a lo largo de la dirección de la fibra, aumenta la resistencia general de la fibra de carbono.

La alta resistencia de la fibra de carbono se puede atribuir a estos cuatro procesos principales. Tener altos niveles de regiones cristalinas permite que las fibras soporten altos niveles de tensión. Estas regiones cristalinas se forman mediante el proceso de hilado por fusión; los cristales son áreas rígidas que no se deforman cuando se aplica una tensión externa. La orientación y alineación de estas regiones cristalinas proporciona mayor resistencia a las fibras, especialmente si la orientación es a lo largo del eje de la fibra. La carbonización y la grafitización son los dos procesos responsables de esta alineación de las regiones cristalinas. La fibra de carbono a base de brea tiene menor resistencia que la fibra de vidrio ; sin embargo, tiene un módulo elástico muy alto .

Las fibras de carbono a base de brea tienen diversas aplicaciones debido a su alto módulo y resistencia relativamente elevada. Se utilizan en la industria aeroespacial por su alto módulo, alta conductividad térmica y alta conductividad eléctrica . Sin embargo, el bajo volumen de producción, el coste de la materia prima y la dificultad de su fabricación hacen que su precio sea elevado en comparación con las fibras de carbono a base de PAN. Si bien las fibras de carbono a base de brea podrían utilizarse en las industrias automotriz y deportiva, la mayor resistencia y el menor coste de las fibras de carbono a base de PAN las hacen más ventajosas.

Referencias

  1. 1 2 3 4 Matsumoto, T (1995). "Peta de mesofase y sus fibras de carbono" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 57 (11): 1553– 1562. doi : 10.1351/pac198557111553 . S2CID 207266372 . 
  2. 1 2 Patente estadounidense 6303096 , Yamamoto, I.; Fukagawa, T. y Muroi, M., "Fibras de carbono a base de brea", publicada en 1999 
  3. 1 2 Lin, Sin-Shong (1991-12-01). Fibra de carbono corta a base de brea . dtic.mil (Informe).
  4. ↑ Huang, Y.; Young, RJ (1995). "Efecto de la microestructura de la fibra sobre el módulo de la fibra de carbono a base de PAN y brea". Carbon . 33 (2): 97– 107. Bibcode : 1995Carbo..33...97H . doi : 10.1016/0008-6223(94)00109-D .
  5. ↑ Singer, LS (1978). "La mesofase y las fibras de carbono de alto módulo a partir de brea". Carbon . 16 (6): 409– 415. Bibcode : 1978Carbo..16..409S . doi : 10.1016/0008-6223(78)90085-4 .
  6. 1 2 Singer, LS (1981). "Fibras de carbono a partir de brea de mesofase". Fuel . 60 (9): 839– 847. Bibcode : 1981Fuel...60..839S . doi : 10.1016/0016-2361(81)90147-2 .
  7. ↑ Huang, Xiaosong (16 de diciembre de 2009). "Fabricación y propiedades de las fibras de carbono" . Materials . 2 (4). MDPI AG: 2369–2403 . Bibcode : 2009Mate....2.2369H . doi : 10.3390/ma2042369 . ISSN 1996-1944 . PMC 5513585 .  
  8. ↑ Senda, Takahiro; Yamada, Yasuhiro; Morimoto, Masakazu; Nono, Noriko; Sogabe, Toshiaki; Kubo, Shingo; Sato, Satoshi (2019-02-01). "Análisis del proceso de oxidación de fibras de carbono isotrópicas a base de brea utilizando compuestos modelo" . Carbon . 142 : 311–326 . doi : 10.1016/j.carbon.2018.10.026 . ISSN 0008-6223 . 
  9. ↑ Lewis, IC (1982). "Química de la carbonización". Carbon . 20 (6): 519– 529. Bibcode : 1982Carbo..20..519L . doi : 10.1016/0008-6223(82)90089-6 .
  • Edie, DD; Dunham, MG (2014). "Fibra de carbono basada en brea obtenida por hilado en fusión". Carbon . 27 (5): 647– 655. doi : 10.1016/0008-6223(89)90198-X .
  • "Cómo convertir brea en fibra de carbono para aplicaciones automotrices" . AZoM.com . 13 de abril de 2020.