FIBRAS DE CARBÓN Mª Jesús García Fernández Adriana López Pineda Mª Carmen Sánchez Ayala Edificio hecho con cemento reforzado con Fibras de Carbón, Edificio ArK Mori de 37 pisos de Tokio.

Materiales en forma de fibra Fibra  filamento fino de materia de origen animal, vegetal, mineral o sintético con un diámetro del orden de 10 m y una relación longitud diámetro 10:1. Las propiedades físicas de una sustancia en forma de fibra son diferentes de las del material original  las diferencias son el resultado de la orientación de los microcristales, creada durante el proceso de formación de la fibra.

Partiendo de Material carbonoso  obtención de microcristales de grafito distribuidos al azar  materiales quebradizos. Material en forma de fibra  orientación de sus microcristales de grafito en la dirección del eje de la fibra.

Alto módulo de Young  mejores propiedades mecánicas Efecto de la orientación de los microcristales grafíticos en el módulo de Young: Alto módulo de Young  mejores propiedades mecánicas

Desarrollo de la estructura grafítica en función de la temperatura de tratamiento térmico:

En las FC existen un gran número de defectos que las diferencian de la estructura grafítica ideal

FIBRAS DE CARBÓN DEFINICIÓN Son fibras conteniendo al menos un 92% en masa de carbono, usualmente en estado no grafítico. Diferencia entre la estructura cristalina del grafito (figura A) y de un material carbonoso que no ha alcanzado la disposición grafítica (figura B):

CLASIFICACIÓN En base a: Temperatura final de tratamiento Material de partida Propiedades mecánicas Aplicaciones: FCAP y FCUG

PROPIEDADES MECÁNICAS Elevado módulo de Young y alta tensión de ruptura. FÍSICAS Elevada conductividad eléctrica y térmica: debida a la deslocalización de los electrones p existentes en los planos grafíticos. El grado de orientación de su estructura grafítica determinará la magnitud de estas propiedades.

Variación de la resistividad con la temperatura para FC obtenidas con distintos precursores: Mayor temperatura  mayor conductividad Alta conductividad térmica  Rápida disipación del calor

Bajo coeficiente de dilatación térmico y elevada resistencia al choque térmico. Resistentes a cambios de temperatura bruscos.

Tª  poros pequeños y abundantes  Tª  menos poros y más grandes SUPERFICIALES Porosidad  consecuencia de imperfecciones en el apilamiento de los planos y de la unión entre los microcristales de grafito. La presencia de dicha porosidad depende generalmente de la temperatura a la que son preparadas Tª  poros pequeños y abundantes  Tª  menos poros y más grandes

Preparación de FC Rendimiento FC según precursor: Mediante carbonización controlada de un precursor orgánico en forma de fibra  FC (excepto basadas en pirólisis de gases). Rendimiento FC según precursor:

Etapas comunes: Hilado de fibras a partir de una disolución o fundido. Estabilización normalmente en aire; para impedir el fundido de fibras en etapa de carbonización. Carbonización en una atmósfera inerte (N2) a 1273-1773 K, con aumento en el contenido de C a un 85-99%.

Tratamientos adicionales: Grafitización con un contenido en C final superior al 99%, para obtener FCAP o FCUG conductoras. Tratamiento superficial para mejorar la adhesión a la matriz, para su uso como reforzadores en una matriz polimérica.

MEJORA PROPIEDADES FC  Optimización ordenamiento estructural de moléculas de FC : Maximizar orientación de las láminas policarbonosas en la dirección del eje de la fibra para conseguir mayor dureza. Introducir o mantener la mayor cantidad de defectos posibles en la estructura de las láminas grafíticas para impedir la rápida formación de estructuras cristalinas grafíticas con orden tridimensional, lo que llevaría a una baja tensión de ruptura.

FC a partir de RAYÓN Fibras naturales de celulosa (Ej.: algodón) no son útiles porque contienen otros materiales no deseables como la lignina. Así, las fibras celulósicas que se emplean para la producción de FC son el rayón textil y la celulosa regenerada. RENDIMIENTO  BAJO

RENDIMIENTO  CONSIDERABLE FC a partir de PAN Poliacrilonitrilo  polimerización de la molécula de acrilonitrilo. Estiramiento Oxidación/ciclación Carbonización RENDIMIENTO  CONSIDERABLE

FC a partir de RESINAS FENÓLICAS Formaldehído + fenol resinas fenólicas Ventaja  no es necesaria la etapa de estabilización. Preparación: Calentamiento lento  conversión de la resina en un carbonizado. Calentamiento rápido con el fin de completar el proceso de carbonización. RENDIMIENTO  INTERMEDIO

FC a partir de GASES Dos rutas distintas Las FC se forman sobre superficies metálicas que se encuentran sobre el sustrato cerámico del horno, por descomposición térmica de una mezcla de H2 y un HC, depositándose las especies formadas en el metal y formándose FC primarias. Posteriormente, se deposita carbono sobre la superficie de éstas para que se hagan más anchas. Catalizador se forma y crece en la fase gaseosa, junto con el gas precursor, con lo que las FC primarias se forman en la fase gaseosa.

FC a partir de BREAS Procedencia de las breas:

Preparación de FC: Se utilizan las breas por su facilidad de hilado y estabilización ya que se carbonizan sin fundir.

Caracterización de las breas Propiedades de las breas condicionan sus aplicaciones industriales. Métodos de caracterización: Análisis elemental Consiste en determinar la composición elemental (% peso) de los distintos elementos que las forman y determinar la relación H/C, que indica el grado de aromaticidad Extracción con disolventes Fraccionamiento de las FC empleando distintos disolventes orgánicos: quinoleina, tolueno y n-hexano.

Espectroscopia infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). Se observan ligeras diferencias entre los espectros de breas de alquitrán de carbón y los de breas de petróleo. Análisis térmico. Termogravimetría (TG), mide la variación de peso que sufre un material en función de la temperatura o del tiempo al ser sujeto a un programa de temperaturas. Análisis Térmico Diferencial (ATD), que mide diferencias de temperatura entre la muestra y una referencia, como consecuencia de la absorción o desprendimiento de energía que sucede en la muestra. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).

Aplicaciones FC de Altas Prestaciones (FCAP) : CARACTERÍSTICAS 1.- Firmeza física, dureza, específica, peso ligero Industria aerospacial, transporte marítimo y terrestre y deportes 2.- Elevada estabilidad dimensional Misiles, zapatas de frenos, antenas aerospaciales y estructuras de soportes, grandes telescopios, estructuras de medidas de precisión de elevadas frecuencias (GHZ) 3.- Buen amortiguamiento de las vibraciones Equipamiento audio, altavoces para equipos de alta fidelidad, articulaciones de robots, grúas 4.- Conductividad eléctrica Capota de automóviles, herramientas, piezas y bases para equipos electrónicos, rodillos 5.- Biocompatibilidad y permeabilidad rayos X Aplicaciones médicas en prótesis, cirugía, implantes, reparación de tendones y ligamentos, equipos de rayos X 6.- Resistencia a la fatiga, auto-lubricantes, elevado amortiguamiento Maquinaria textil, ingeniería general 7.- Químicamente inertes, elevada resistencia a la corrosión Industria química, campo nuclear; válvulas, tubos y bombas componentes en plantas de procesos; fibras de carbón activas 8.- Propiedades electromagnéticas Grandes generadores, equipos radiológicos

Usos Reforzadores de ciertas matrices de materiales para formar materiales compuestos (Ej. Adobes). Elevada tensión de ruptura y módulo de Young y baja densidad  industria aeronáutica y transportes (helicóptero y avión).

En condiciones normales de temperatura, debido a su elasticidad, son resistentes a la fractura  materiales duraderos e industria deportiva. Buena disipación térmica, elevada estabilidad estructural y elevadas propiedades mecánicas  fabricación de materiales que sean empleados a elevadas temperaturas.

Químicamente inertes, excepto en ambientes fuertemente oxidantes o en contacto con ciertos metales fundidos construcción de materiales resistentes a la corrosión para sus utilización en plantas y equipos químicos. Propiedades electromagnéticas  construcción de materiales conductores de electricidad, disipadores de electricidad estática y para pantallas contra interferencias electromagnéticas. Características de amortiguamiento acústico  construcción de equipos de sonido para la producción de tonos puros.

Distribución de usos:

FC de Uso General (FCUG) Procesado de distintas formas textiles. Mezcladas con otros materiales (hormigón) le confiere propiedades conductoras y de resistencia a la corrosión, por ejemplo, construcción de edificios en ambientes salinos y de losetas de salas de ordenadores por su disipación de interferencias electromagnéticas.

Buen amortiguamiento de las vibraciones  construcción de edificios en zonas de riesgo sísmico. Edificio Ark Mori (Tokio) Como materiales adsorbentes para el tratamiento de aguas, del aire y para el control de la polución  aplicación principal de las FCA.

FC ACTIVAS Características Área superficial específica elevada. Alta capacidad de adsorción. Una distribución de porosidad que puede ser muy uniforme y esencialmente microporosa. Son materiales con un diámetro pequeño (10-40 m), ligeros y moldeables.

Preparación

Caracterización de la textura porosa: adsorción física de gases Cuando la superficie de un sólido es expuesta a un gas, tiene lugar un proceso de adsorción del gas en la superficie, en mayor o menor grado. La cantidad adsorbida se mide a temperatura constante, con lo que dependerá de la presión y de la interacción gas-sólido y obtendremos la isoterma de adsorción.

Aplicaciones Eliminación de olores en refrigeradores, en plantillas de calzado y en el interior de automóviles  porosidad. En electrónica (fabricación de condensadores de doble capa)  elevada área superficial específica. Uso como soporte de catalizadores o incluso, como catalizador (en proyecto). Purificación de medicinas y productos químicos. Otras: adsorción de gases radiactivos en centrales nucleares, para la decoloración del azúcar, descomposición del ozono...

Elaboración de ropa y máscaras protectoras usadas en industrias químicas (ambientes extremadamente hostiles). Tratamientos:

del agua: Eliminación de contaminantes líquidos y gaseosos por adsorción. FCA con Co y Ag  depuración del agua más tratamiento antibacteriano. de gases: - Purificación del aire. Recuperación de disolventes filtros en sistemas de acondicionamiento del aire.

- Separación de mezclas gaseosas  separación del N2 y O2 del aire. - Control de la polución atmosférica  descomposición de contaminantes (Ej.: NxOy). almacenamiento de gases: almacenamiento de CH4 en FCA es económica, concretamente reside en la utilización de los recursos energéticos.