Fibras de carbono sostenibles de nueva generación: versátiles, de alto rendimiento y económicas
La catálisis hace competitivas las fibras de carbono biológicas
Ya sea en depósitos de hidrógeno, baterías, pilas de combustible o para blindar componentes electrónicos sensibles, las fibras de carbono se utilizan en una amplia gama de aplicaciones avanzadas. En el Parque Científico de Potsdam, el Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros IAP, en colaboración con la Universidad Tecnológica de Brandenburgo Cottbus-Senftenberg, está desarrollando nuevas fibras de carbono basadas en la celulosa. Estas fibras combinan diversidad estructural, altas prestaciones eléctricas, térmicas y mecánicas con sostenibilidad. El proyecto forma parte del Carbon Lab Factory Lausitz y está financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía de Alemania. Cuenta con el apoyo intensivo de Wirtschaftsregion Lausitz GmbH.
Más que construcción ligera: fibras de carbono para aplicaciones alternativas de alta tecnología
Las fibras de carbono tradicionales, como las utilizadas en la construcción ligera, suelen fabricarse a partir del polímero poliacrilonitrilo (PAN), derivado del petróleo. Su producción es compleja, consume mucha energía y recursos y genera grandes cantidades de subproductos tóxicos. Las fibras de carbono a base de brea, otro tipo derivado del petróleo con excelentes propiedades eléctricas y térmicas, son técnicamente muy exigentes y costosas de producir.
El Fraunhofer IAP está abordando estos retos con una nueva generación de fibras de carbono de alto rendimiento, de base biológica y sostenibles. Combinan la variabilidad estructural con propiedades personalizables y un atractivo perfil medioambiental y económico. Sus aplicaciones van mucho más allá de la construcción ligera para la industria aeroespacial, la defensa, la energía eólica o la medicina: como componente de baterías y pilas de combustible, pueden servir como tejidos conductores eléctricos y térmicos, químicamente estables. También son idóneos para apantallar componentes electrónicos sensibles.
Alta variabilidad mediante procesos de hilatura y aditivos
El innovador enfoque del Fraunhofer IAP utiliza la celulosa como materia prima renovable para precursores, el material de partida de las fibras de carbono. Las fibras precursoras pueden hilarse en filamentos continuos utilizando tecnologías de hilatura industrial establecidas, como los procesos de viscosa o Lyocell, así como métodos de conformación alternativos. Aditivos como la lignina, que al igual que la celulosa procede de la madera, pueden incorporarse directamente a la solución de hilatura, aumentando significativamente el rendimiento de carbono durante la posterior conversión en fibras de carbono.
Una ventaja clave de la celulosa es que la estructura de las fibras precursoras -y, por tanto, de las fibras de carbono resultantes- puede controlarse con precisión mediante el proceso de hilatura y los parámetros seleccionados. Esto da lugar a diversos grados de orientación y cristalinidad, así como a secciones transversales de las fibras, por ejemplo, redondas, ovaladas o lobuladas. Esta última ofrece una superficie específica especialmente elevada, por lo que resulta adecuada para su uso en estructuras porosas conductoras para electrodos permeables en baterías de flujo redox o capas de difusión de gases en pilas de combustible.
La catálisis hace competitivas a las fibras de carbono biológicas
A continuación, las fibras de celulosa hiladas sin fin pasan por un baño acuoso que contiene aditivos funcionales o catalizadores. Este paso activa el material para su posterior conversión térmica en fibras de carbono. Aquí, la fibra de celulosa tiene una ventaja especial: se comporta como una esponja, absorbiendo eficazmente los aditivos del baño. El sistema de catalizadores y aditivos desarrollado por Fraunhofer IAP reduce la temperatura de carbonización en más de 1.000 °C, acelera el proceso y aumenta el rendimiento del 15 al 45 por ciento en peso.
Mediante la optimización específica de los parámetros del proceso -como la temperatura, el tiempo de permanencia o el estiramiento mecánico- durante la carbonización, se pueden conseguir diámetros de fibra muy por debajo de los cuatro micrómetros. Esto es especialmente importante para las pilas de combustible. En comparación, las fibras comerciales suelen medir alrededor de siete micrómetros de diámetro.
Alto rendimiento personalizado: mecánico, eléctrico y térmico
La combinación de las tecnologías de hilado, activación y carbonización permite desarrollar tipos de fibra personalizados para una amplia gama de aplicaciones. El Dr. Jens Erdmann, experto en fibras de carbono de base biológica del Fraunhofer IAP, subraya: "Nuestras fibras de carbono combinan un alto rendimiento técnico con la sostenibilidad: sus propiedades mecánicas son comparables a las de las fibras de carbono PAN de alto módulo derivadas del petróleo, es decir, a las de las fibras de carbono de alto rendimiento. También muestran propiedades eléctricas y térmicas similares a las fibras basadas en brea."
Carbon Lab Factory Lausitz: un puente hacia el escalado industrial
Los ensayos a escala piloto realizados en el Fraunhofer IAP demuestran el gran potencial de esta tecnología, que ahora se ampliará como parte de la iniciativa "Carbon Lab Factory Lausitz". La nueva infraestructura abarcará toda la cadena de valor en Alemania, desde la materia prima hasta los componentes técnicos, pasando por la fibra de carbono. La iniciativa se puso en marcha conjuntamente con la Universidad Técnica de Chemnitz y el Instituto de Diseño Ligero y Gestión del Valor Añadido de la BTU de Cottbus-Senftenberg y es un proyecto estatal transfederal entre Sajonia y Brandemburgo. Apoya el desarrollo de una infraestructura de investigación única en el mundo para las fibras de carbono y, por tanto, la transformación estructural de la región de Lausitz.
Sostenibilidad y alto rendimiento: una demanda creciente
"Vemos claramente que el interés por los materiales sostenibles no deja de aumentar", afirma Erdmann. "Pero las ventajas ecológicas por sí solas no bastan para triunfar en el mercado: el rendimiento económico también es crucial. Ahí es exactamente donde entramos nosotros: hemos conseguido combinar la responsabilidad ecológica con el rendimiento técnico y la rentabilidad. La capacidad de personalizar y adaptar con flexibilidad las propiedades de nuestras fibras abre nuevos campos de aplicación y claras ventajas competitivas: un paso decisivo hacia la viabilidad económica."
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