Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono, han ido incrementando su presencia en el mercado e introduciéndose en nuevos sectores gracias a su excelente relación entre peso, rigidez y resistencia. Sobre todo, cuando el peso es el factor decisivo en la selección unido a la posibilidad de optimizar el diseño de las estructuras aprovechando la correlación entre la orientación de las fibras y sus propiedades.
Sin embargo, algunos de los beneficios se ven reducidos en el caso de la utilización de fibras recicladas debido a los siguientes motivos:
En este caso y aunque existen algunos avances en la recuperación de la fibra en el formato original [1] con los procesos actuales el formato final suele ser un “non-woven” o no tejidos con fibras cortadas y sin alineación.
Obviando las limitaciones citadas, factores económicos, medioambientales y legislativos han sido impulsores de la investigación en nuevas técnicas de reciclado de las fibras incorporando productos con un cierto comportamiento estructural.
En la Tabla 1 se puede ver el estado del arte en el reciclado de las fibras, el cual ya está aportando fibras con propiedades mecánicas cercanas a las originales
Resistencia
(MPa) |
Modulo elástico E (MPA) | IFSS con epoxy (MPA) | IFSS con PP (MPA) | |
FC Virgen | 6966 | 356 | 82.5 | 11.2 |
FC Rec 1 | 5876 | 369 | 64.2 | 12 |
FC Rec 2 | 6795 | 331 | 62.4 | 11.4 |
Ahora bien, las propiedades mecánicas del material compuesto con fibras recicladas, sí que muestran valores inferiores a los de referencia. Debido tanto a las características de salida de las fibras recicladas nombradas previamente, longitud y pérdida de enzimaje, y otro a que los métodos de fabricación (derivados de lo utilizados con fibras vírgenes) no están adaptados aún a estos materiales reciclados. Estos métodos deben ser, por tanto, adaptados a las características de las fibras recicladas.
A continuación, pasaremos revista a algunos de los métodos más utilizados y que a priori parecen más fáciles de adaptar con estas fibras recuperadas.
Proceso | Matriz | Vf | Et
(MPa) |
Xt
(MPa) |
Moldeo por inyección | PP | 19 | 16 | 126 |
PC | 16 | 14 | 124 | |
Moldeo por compresión non-woven | EP | 30 | 25 | |
UP | 16 | 5.5 | 90 | |
Moldeo por compresión non-woven alineado | EP | 44 | 80 | 422 |
En base a lo comentado anteriormente, realizaremos un análisis de distintas alternativas de introducción de estos materiales reciclados en diversos campos industriales.
Se podría esperar que la industria aeronáutica, como uno de los principales productores de materiales compuestos en la actualidad y donde su uso está más extenido, fuera uno de los principales mercados para la aplicación de las fibras de carbono recicladas (principalmente en interiores). Sin embargo, existen numerosas limitaciones para este fin:
Prototipos y demostradores de piezas, especialmente significativas de estructuras interiores como asientos [6], abren una nueva fase de maduración en todo el ciclo de producción desde la obtención de las fibras recicladas hasta la certificación final de la pieza.
La automoción es un sector en el que la introducción de los materiales compuestos en la actualidad es más bien de nicho, si exceptuamos aplicaciones específicas, como por ejemplo los paneles de SMC en vehículos pesados. Sin embargo, si que existe una voluntad en el sector por su introducción, impulsado por la legislación y la necesidad de buscar materiales más sostenibles además de otros cambios como la electrificación que abren un gueco a estos materiales reciclados que vendrían a ayudar con su menor coste a poder introducirse en la industria.
Por último, el tamaño y características geométricas de las distintas partes que componen un automóvil, o vehículo pesado, hacen que muchas de ellas sean viables para su fabricación mediante moldeo por compresión, por ejemplo:
Actualmente es uno de los mayores usuarios de los materiales compuestos por lo que es interesante buscar aplicaciones en las que las fibras recicladas puedan sustituir a los materiales compuestos de fibras vírgenes. Aquí podemos diferenciar entre palas y otros elementos como las nacelle.
Palas eólicas. La imposibilidad actual de generar laminados de fibra larga hace difícil sustituir toda la fibra utilizada en la fabricación de las palas. Sin embargo, dentro de los distintos laminados que componen la pala es posible encontrar áreas en las que algunas de las capas puedan sustituirse por “non-wovens” o no tejido de fibra de carbono reciclado utilizando los mismos procesos de fabricación que en la actualidad.
Nacelle. Como se puede ver en la referencia 7, ya existen desarrollos sobre la fabricación de nacelles completas a partir de fibra reciclada utilizando procedimientos tradicionales de infusión y que presentan ventajas respecto a los materiales tradicionales [7].
Existen múltiples piezas en el sector ferroviario que actualmente son fabricadas mediante “mats” tejidos de fibra de vidrio y matriz termoestable, poliester principalmente, en el que el uso de non-wovens o no tejidos de fibras de carbono recicladas ofrecería ventajas de reducción de peso y sostenibilidad.
Están pendientes de solucionar tanto los problemas derivados de la resistencia al fuego requeridos por la EN45545i, incorporando matrices o cargas ignífugas, como su coste asociado. Por lo que por el momento la balanza se inclina por los materiales y procesos habituales en el sector.
Como en otros sectores ya comentados, las propiedades mecánicas de los materiales reciclados hacen muy atractivo y por tanto abren alternativas para otras piezas como estructuras de asiento o mobiliario.
La industria deportiva podría ofrecer un gran número de aplicaciones para las fibras recicladas, siendo además un mercado en el que la sostenibilidad del producto afecta de manera positiva en el cliente final. Dentro de este sector podemos apuntar como posibilidades
Se puede concluir que, aunque existen ciertas limitaciones para la sustitución de los materiales habituales por los de fibras recicladas de forma general, existe un amplio campo de aplicaciones en las que estas pueden ser utilizadas. Esto redundaría además en la mejora de la sostenibilidad de los “composites” y su paulatina introducción en productos y aplicaciones en las que su uso actual es residual. Y con ello, y a medida que se aumente la demanda es seguro que se continuara con los desarrollos de recuperación de fibra, generación de productos intermedios y procesos y así permitir su introducción en productos de los sectores arriba señalados.
[1] W. Ballout1, N. Sallem‑Idrissi1, M. Sclavons1, C. Doneux2, C. Bailly1, T. Pardoen2 & P. Van Velthem1. “High performance recycled CFRP composites based on reused carbonfabrics through sustainable mild solvolysis route”. Scientific Reports volume 12, Article number: 5928 (2022)
[2] Guozhan Jiang, Stephen J pickering. “Structure-property relationship of recycled carbon fibres revaled by pyrolysis recycling process”. Journals of material Science Volume 51, pages 1949–1958, (2016)
[3] Connor, M.L . “Characterization of recycled carbon fibers and their formation of composites using injection molding”. Master thesis. North Carolina State University (2008)
[4] Howarth .J, Jeschke M. “Advanced non-woven materials from recycled carbon fibre”. Carbon Fibre recycling and reuse 2009 conference, Hamburg, Germany.
[5] Turner, T.A., Pickering, S.J., Warrior, N.A. “Development of high value composite materials using recycled carbon fibre”. SAMPE 09 Conference, Baltimore, USA
[7] “Developments in applications of recycled carbon fibres”. Sustainable composites: The future. University of Bristol 1st July 2020.
[8] Pimenta S, Pinho ST. “Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications: technology review an market outlook”. Waste management 31, 378-392 (2010)
Published on 19/07/24
Submitted on 17/07/24
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