CHAPTER 15: REUSE OF FIBERS AND RESINS IN STRUCTURAL ELEMENTS. PROPOSALS FOR USE IN DIFFERENT INDUSTRIES: PRELIMINARY PROPOSALS FOR USE

1 - CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS OBTENIDOS A PARTIR DE FIBRAS RECICLADAS Y MÉTODOS DE FABRICACIÓN APLICABLE

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:

• Pérdida de propiedades de la fibra debido al proceso de recuperación.
• Pérdida del enzimaje que ayuda a su compatibilidad mejorando la adhesión con las matrices poliméricas.
• Formato de salida de la fibra reciclada, en cuanto a longitud, gramaje y orientación.

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

Tabla 1: Comparación de propiedades mecánicas a tensión e IFSS entre fibra de carbono T800 reciclada y su equivalente virgen [2]

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.

• Moldeo por inyección. Este proceso, por el cual una resina generalmente termoplástica y reforzada con fibras de carbono, cargas y aditivos son convertidas en “pellets”, parece que puede ser fácilmente adaptado a estas fibras recicladas. Sin embargo, por el momento no es factible su uso en aplicaciones estructurales por un lado por las características intrínsecas del proceso y por el otro porque el material obtenido es por sí mismo alrededor de un 25% menos rígido y tiene un 12% menos de resistencia que su equivalente con fibras vírgenes [3].
• Moldeo por compresión de non-wovens. En este caso, y partir de las fibras recicladas se puede obtener un “non-woven” o “no tejido” siendo este uno de los subproductos más habituales con fibras de carbono recicladas y existiendo varios fabricantes, como el británico GEN2Carbon, que ya comercializan este producto. Aquí su comportamiento mecánico, si parece permitir su aplicación en estructuras, con la salvedad de la dificultad de obtener contenidos en fibra altos por su baja permeabilidad y la exigencia de altas presiones en el proceso de moldeo. Por otro lado, no hay que olvidar que en el mercado ya existen materiales con prestaciones similares y más baratos.La mejora en el alineamiento de las fibras en la fabricación del no tejido, hasta un 80% del teórico según él desarrollo tecnológico actual [4], se traduce en un incremento de sus propiedades mecánicas con contenidos en fibra de hast un 40% [4], en volumen. los hace muy competitivo con el aluminio y “composites” de fibra de vidrio, por su conocida rigidez y resistencia específica.
• Moldeo por infusión o RTM: Los “non-woven” o no-tejidos obtenidos a partir de fibras recicladas pueden ser igualmente utilizados para fabricar piezas mediante infusión de resina o RTM. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la limitación ya comentada de la falta de permeabilidad para poder obtener altos volúmenes de fibra (como ocurre en el proceso de moldeo por compresión) aquí es más difícil de solventar, ni con procesos de moldeo por RTM de alta presión. Lo cual dificulta aumentar el volumen de fibra lo suficiente como para obtener propiedades mecánicas equivalentes. La tabla 2 muestra resultados conseguidos con materiales reciclados, empleando distintos procesos de fabricación.

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

Tabla 2: Propiedades mecánicas de materiales compuestos obtenidos a partir de fibras recicladas por distintos procesos de fabricación [8]

2 - APLICACIONES ESTRUCTURALES POTENCIALES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS A PARTIR DE FIBRAS RECICLADAS

En base a lo comentado anteriormente, realizaremos un análisis de distintas alternativas de introducción de estos materiales reciclados en diversos campos industriales.

2.2 - INDUSTRIA AERONÁUTICA

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:

• Peso: La optimización del peso en las estructuras aeronáuticas que a lo largo del tiempo es lo que ha conllevado la sustitución paulatina de muchas de las estructuras originalmente metálicas por “composites”, hace que el uso de materiales reciclados con su peor comportamiento mecánico se vea muy limitado como alternativa competitiva a los materiales habituales. Por este motivo, se hace necesario continuar con el desarrollo tecnológico en los procedimientos de reciclado, impregnación y adaptación de los métodos habituales de obtención de piezas.
• Certificación: El otro punto relevante que necesita atención es la Certificación, y como su metodología se ha consolidado para adaptarse tanto a la materia prima como a los procesos de fabricación actuales. Se hace por tanto necesario incorporar en las fases de obtención de la materia prima reciclada (tanto en la fase de recuperación como en la de creación de los subproductos intermedios), controles estandarizados similares a los ya establecidos en la industria actual de los “composites”, así como adaptar los controles y certificaciones sobre el proceso de fabricación de la pieza final a las características de los nuevos materiales utilizados.

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.

2.3 - INDUSTRIA AUTOMOCIÓN

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:

• Techos. Ya hay varios modelos que han llevan techo en fibra de carbono porque sus características y posición en el coche lo hacen adecuado para ser fabricado en materiales compuestos. A estas mejoras funcionales se une una apreciable bajada de costes en comparación con la fibra virgen.
• Capó. También es susceptible ser fabricado con fibras recicladas siendo más ligero que su equivalente en acero y más barato que los existentes en algunos “supercoches” en tejidos vírgenes de fibra de carbono. Esto permitiría ampliar su uso a otro tipo de coches. Además, su forma y tamaño permiten el moldeo por compresión lo que lo hace viable para volúmenes medios/altos como los de la automoción.
• Paneles interiores. La mayor rigidez y resistencia de los “composites” reciclados en relación con los materiales plásticos habituales en los paneles interiores, su sustitución por el carbono lleva asociado unas ventajas de un montaje sin soportes internos simplificando su fabricación con unos costes muy competitivos.
• Tapas y cajas de baterías. Al ser un mercado nuevo aún no están definidos los materiales estándar para la fabricación de los mismos, que actualmente varían entre materiales metálicos y compuestos de fibra corta como el SMC. Esto facilita el uso de un material alternativo, aunque siempre teniendo en cuenta el peor comportamiento ante el fuego y al fenómeno conocido como “thermal runaway”. Sin embargo, esto puede ser solventado con matrices intrínsecamente ignífugas de la familia de las benzoxazinas o mediante cargas ignifugas.
• Puertas maletero. Ya existen puertas de maletero en material SMC de fibra vidrio, con lo que los materiales a partir de fibras de carbono reciclados podrían ser una alternativa más ecológica, ligera y resistente, aunque conlleva un mayor coste.
• Soportes y otras piezas piezas. Existen multitud de soportes y otras piezas como tirantes, soporte rueda de repuesto, pedales y otras, que por sus características de tamaño y necesidades estructurales inferiores son susceptibles de ser cambiados de materiales tradicionales a materiales compuestos obtenidos con fibras recicladas.

2.4 - INDUSTRIA EÓLICA

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].

2.5 - INDUSTRIA FERROVIARIA

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.

2.6 - INDUSTRIA DEPORTIVA

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

• Raquetas de padel. La mayoria de ellas ya fabricadas en compuesto pero que pueden ser suscpetibles de ser fabricadas en materiales híbridos incluyendo fibras recicladas.
• Esquís y tablas de snowboard. Aunque la orientación de la mayoría de capas de sus laminados no hace posible su sustitución completa, laminados híbridos son posibles sustituyendo algunos de los elementos,como los núcleos, por fibras recicladas.

3 - CONCLUSIONES

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.

4 - BIBLIOGRAFÍA

[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

[6] https://www.compositesworld.com/news/cecence-ncc-and-gen-2-carbon-develop-sustainable-airplane-seatback-

[7] “Developments in applications of recycled carbon fibres”. Sustainable composites: The future. University of Bristol 1^st 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)