1 - INTRODUCCIÓN
El crecimiento en la utilización de materiales compuestos supone un reto ambiental asociado a la gestión del residuo procedente del fin de la vida útil de los composites, el cual se estima que sea de 34,2 kt de material compuesto de fibra de carbono para 2050, además del coste energético que supone fabricar dicha fibra virgen [1-2]. Por ello, existe un gran número de investigaciones enfocadas en el reciclado de los composites de fibra de carbono (rCF) y vidrio (rGF) para su posterior uso como material de refuerzo principalmente focalizados en la recuperación de la fibra al presentar el mayor valor añadido de los componentes del composite [3].
El método de reciclado por molienda es el más económico, por tiempo, energía y por la ausencia de reactivos ni acelerantes. El problema de este método de reciclado es la limitación en la longitud de la fibra por el propio proceso de molienda [4-5-6].
Con el fin de conseguir una fibra reciclada de mayor longitud se opta por métodos de reciclado con los que se consigue eliminar la resina (matriz) para obtener la fibra seca con la máxima longitud posible. Tanto el reciclado químico como el térmico persiguen este fin con resultados prometedores en la actualidad.
En el caso del reciclado químico, el objetivo es conseguir la disolución de la resina, generalmente por el procedimiento de solvólisis [3], mientras que el reciclado térmico consiste en la pirólisis de la resina, dada la baja temperatura de degradación que posee con respecto a las fibras de carbono o de vidrio que la refuerzan. El proceso de pirólisis generalmente se realiza en dos pasos, en un primer paso se eleva la temperatura hasta 500-700ºC en atmósfera inerte (N2). Y en el segundo paso se oxidan parcialmente los restos de carbón pirolizado a 550ºC para limpiar la fibra [7]. Se ha observado una reducción de alrededor -10% en las propiedades mecánicas de las fibras recicladas respecto de las vírgenes de ahí su interés en la reutilización de las mismas al ser poco significativa [8]. No obstante, aunque menos instaurado en la actualidad, la pirólisis mediante lecho fluidificado permite extraer una fibra con mejores propiedades mecánicas sumergiendo el composite en un lecho de arena de sílice a temperaturas de entre 400-650ºC [3].
Ambas tecnologías de reciclado en el caso de la fibra de carbono presentan un balance energético positivo, situándose entre los 5-30 MJ/kg para las tecnologías de pirólisis y entre 21-91 MJ/kg para las tecnologías de solvólisis, siendo considerablemente menor que el necesario para obtener la fibra virgen de carbono 183-286 MJ/kg [9]. Por ello, con el fin de introducir las fibras recicladas en la cadena de valor para conseguir los productos textiles intermedios de máximo valor añadido, el reciclado químico y térmico son las opciones más adecuadas por la longitud y calidad de las fibras obtenidas [10].
Por este motivo, la investigación y adaptación de tecnologías textiles para el procesado de fibra cortada, como el cardado, la hilatura y la tejeduría, que se tratan en este capítulo, son soluciones de gran interés para la industria, ya que permiten obtener artículos textiles intermedios aptos para la generación de nuevos composites.
2 - TECNOLOGÍAS DE REVALORIZACIÓN MEDIANTE PROCESOS TEXTILES
Con longitudes de fibra superiores a 25-30mm actualmente es posible la obtención de no-tejidos a escala industrial mediante tecnología seca o “drylaid” y con longitudes inferiores <10mm por fabricación en húmedo “wetlaid”, no obstante, aunque con menor grado de madurez se están desarrollando tecnologías alternativas viables para la obtención de hilados y la posterior obtención de tejidos con fibras recicladas con longitudes superiores >30mm, los cuales a diferencia de los no-tejidos, son similares en cuanto a aspecto a los tejidos habitualmente utilizados en la industria y presentan mayor longitud de fibra, mejorando con ello las posibles aplicaciones finales.
En el caso de los no-tejidos, principalmente su obtención se realiza mediante dos tecnologías: wet/dry-laid. En estos no-tejidos obtenidos dry-laid con carda es posible conseguir una alta orientación de las fibras, como demuestra M. Khurshid et al. [11], aunque como contrapartida presentan un porcentaje de fibras con pérdida de longitud muy significativo implicando un bajo rendimiento mecánico de los intermedios finales obtenidos.
En el caso de la formación de hilos con fibras de carbono recicladas, a pesar de tratarse de una tecnología innovadora con bajo grado de madurez dada la dificultad de procesado que presentan las fibras de refuerzo. Actualmente, hay numerosos estudios sobre la influencia en la longitud de la fibra de carbono durante su procesado en aspectos como el retorcido de los hilos y el porcentaje de fibra carbono resultado, y su afectación en las propiedades del hilo final y del composite. De estos estudios se extrae que, a mayor longitud de fibra, mejores propiedades mecánicas del hilo resultante y, en consecuencia, del composite [12], mientras que también se hace patente la existencia de una disminución de las propiedades a tracción con el aumento del retorcido (necesario para obtener hilos manipulables) debido a la rotura de fibras, siendo necesario buscar el equilibrio entre ambos parámetros para la obtención de hilados adecuados [13]. No obstante, estas tecnologías en la actualidad desafortunadamente no permiten la obtención de intermedios compuestos 100% por fibras recicladas, siendo necesario la introducción de fibras de otra naturaleza para su revalorización [11].
El principal reto tecnológico de estas tecnologías versa en la modificación y adaptación de las tecnologías tradicionales textiles, de forma que permitan procesar fibras intrínsecamente frágiles en procesos mecánicos, con alta conductividad eléctrica (rCF), con alta generación de electricidad estática y con una baja resistencia a flexión, todo ello con el objetivo de minimizar la disminución de la longitud de las fibras y, en consecuencia, mejorar las propiedades mecánicas de los composites obtenidos a partir de estos intermedios [14].
2.1 - TECNOLOGÍAS DE OBTENCIÓN DE NO-TEJIDOS (NONWOVENS)
Para el procesamiento de las fibras de refuerzo recicladas en no-tejidos, se han desarrollado principalmente, dos tecnologías clasificadas según su nomenclatura en no-tejidos obtenidos por: vía seca (Drylaid) y vía húmeda (Wetlaid.
El proceso en vía seca es un proceso habitual en la industria textil desde la antigüedad, tanto para la obtención de no-tejidos como para el desarrollo de hilados de fibra cortada, tal como se describe en el siguiente apartado. En los últimos años, la tecnología de cardado se ha habilitado para fabricación principalmente de no-tejidos de fibra de carbono reciclada que dan lugar a intermedios anisotrópicos aptos para la obtención de nuevos composites termoplásticos y termoestables con muy bajos requerimientos mecánicos, pero con gran disminución del peso específico [15].
Estos métodos suelen escogerse en función de la longitud de las fibras. Por ejemplo, en el caso de las fibras cortas con longitudes inferiores a 10 mm., estas pueden procesarse para la obtención de no-tejidos por vía húmeda. Y en el caso de las fibras más largas, generalmente superiores a 25-30mm, estas pueden procesarse para obtener no-tejidos e hilados por vía seca (carda).
2.1.2 - TECNOLOGÍA POR VÍA SECA: CARDA Y CONSOLIDADO POR PUNZONADO
El principal propósito del cardado es desenredar y mezclar las fibras para formar un velo homogéneo de peso uniforme por unidad de área. Este velo se forma a través de la apertura y paralelización de las fibras mediante unos rodillos dentados situados en la máquina de cardado. Los cilindros de la carda se combinan de forma que unos trabajen las fibras dando lugar a su peinado y paralelización y otros limpien el exceso de fibras del velo que están formando para mejorar su homogeneidad. Los cilindros de las cardas cuentan con unos dientes llamados “guarnición” que en función de su geometría y sentido de giro realizan el proceso de cardado, siendo necesario diseñarlos y adaptarlos para el procesado de cada tipo de fibra en función de sus características. Especialmente con las fibras de refuerzo, para evitar su degradación y rotura.
Normalmente en la configuración de las cardas, se cuenta con un cilindro central de mayor tamaño encargado de la distribución de las fibras y el transporte del velo (cilindro central). Este cilindro está rodeado de pequeños cilindros satélites de cardado, que pueden ser “trabajadores” o “limpiadores” y normalmente están situados por parejas. Las combinaciones de distintos tipos de cilindros permiten que una proporción de la fibra que pasa a través de la máquina se retrase a medida que gira a la superficie de los cilindros trabajadores y limpiadores, antes de ser devuelta al cilindro central.
Por otro lado, hay unos cilindros llamados “doffers” que se encargan de eliminar la fibra del cilindro central y condensarlas en el velo precursor al no-tejido. Esta tipología de no-tejidos obtenidos tras procesos de cardado, habitualmente presentan una anisotropía alta, con un ratio de MD:CD > 5:1. Siendo “MD” la dirección de avance de la máquina y “CD” la dirección transversal.
Posteriormente, para las fibras de refuerzo el consolidado suele realizarse mediante punzonado, en este proceso las fibras se entrelazan mediante la penetración alternada de muchas agujas dentadas situadas sobre una placa de soporte sobre el velo de fibras obtenido. A medida que el velo pasa por las placas de agujas, estas van enredando las fibras de forma progresiva y coherente formando un no-tejido consolidado por el entrelazado de las propias fibras. Siendo especialmente crítico en las fibras de refuerzo la búsqueda de la tipología y configuración óptima de las agujas para evitar la rotura de estas fibras y alcanzar el grado de cohesión necesario para su manipulación [15,17].
2.1.3 - TECNOLOGÍA POR VÍA HÚMEDA: WER-LAID
La tecnología de formación por vía húmeda (wetlaid) es uno de los procesos más antiguos para la fabricación de no tejidos. En este proceso las fibras son suspendidas en un medio acuoso y posteriormente se colectan en una telera perforada en forma de filtros que absorben el agua y depositan las fibras en forma de velo.
Su principio de funcionamiento parte de la industria papelera con maquinaria muy similar. Las fibras que se utilizan están suspendidas en el agua y pasan a través del cabezal de distribución que procede a la separación del agua de las fibras para formar una lámina uniforme de material (pasta) la cual se deposita sobre una telera perforada que succiona el agua sobrante y retiene las fibras en forma de velo, el cual posteriormente debe ser cohesionadoy consolidado.
El material más común usado en la unión de no tejidos WetLaid es el consolidado químico, siendo el más utilizado una emulsión a base de agua y un (látex) de un polímero sintético, tal como un poliacrilato, un polímero de estireno-butadieno, acetatos de etileno - vinilo, cloruros de vinilo y similares. No obstante, también es posible su consolidado térmico, mediante la aplicación de un proceso de calandrado que cohesiona el velo de fibras, al cual se le añade una fibra termoplástica que actúa de binder o ligante dando cohesión al no-tejido final. Su principal desventaja con las fibras de refuerzo es la generación de láminas con poca porosidad que dificultan su utilización con resinas termoestables [16].
La principal ventaja de esta tecnología radica en la reutilización de fibras de longitud corta no aptas para su revalorización con otras tecnologías, así como la posibilidad de obtener no-tejidos con densidades laminares muy bajas comparadas con los no-tejidos obtenidos por vía seca o carda. No obstante, la corta longitud de las fibras utilizadas da lugar a no-tejidos con muy baja resistencia mecánica, comparado con los obtenidos por tecnología Drylaid [15,17].
3 - TECNOLOGÍAS DE OBTENCIÓN DE HILOS Y TEJIDOS
Con el objetivo de mejorar las prestaciones mecánicas de los no-tejidos, existen tecnologías disruptivas con menor grado de madurez en la actualidad que permiten revalorizar las fibras de refuerzo en forma de hilados, las cuales permiten el diseño de nuevos intermedios textiles en los cuales las fibras recicladas tras procesos de hilatura y tejeduría pueden ser dispuestas en las direcciones deseadas y no de forma aleatoria tal como ocurre en los no-tejidos, consiguiendo mejorar con ello las propiedades mecánicas de los intermedios obtenidos.
Centros tecnológicos como AITEX, pioneros en esta tecnología, han desarrollado y patentado [18] procesos de obtención de hilados de fibra cortada basados en principios de tecnologías textiles tradicionales, pero con importantes modificaciones tecnológicas que permiten la procesabilidad de fibras de refuerzo, principalmente fibra de carbono debido a su alto valor añadido.
El principio de funcionamiento de esta tecnología es similar al de la obtención de no-tejidos, el sistema de carda o dry-laid anteriormente comentado. La principal diferencia se produce durante la extracción del velo de fibras parcialmente alineadas y paralelizadas ya que, en el caso de la producción de hilados, este velo converge en una estructura laminar cilíndrica denominada cinta de carda.
Esta tecnología es de gran utilidad para la obtención de nuevos composites termoplásticos, ya que en la actualidad una de sus principales limitaciones reside en la necesidad de incorporar fracciones de fibras de arrastre, principalmente fibras termoplásticas con porcentajes mínimos del 15-20%. Siendo objeto de investigación en la actualidad, la disminución de estos porcentajes para obtener precursores con utilidad en aplicaciones de obtención de composites termoplásticos con el aumento de su contenido en fibra de refuerzo reciclada.
Esta cinta de carda o precursor de hilatura generalmente presenta unas densidades lineales entre 1.0 y 10.0 kTex o gramos por metro lineal, sin apenas resistencia y cohesión, pero en el cual las fibras se encuentran condensadas y parcialmente alineadas. Con el objetivo de mejorar su homogeneidad, el grado de alineamiento de las fibras y disminuir la densidad lineal a valores aptos para posteriores procesos de hilatura. Varias cintas de carda se introducen en equipo denominado manuar mechera en el cual mediante la aplicación de distintos ratios de estiraje, generalmente mediante la variación de la velocidad entre cuatro pares de cilindros y mediante su posterior paso por unas cintas de fricción transversal que le aportan torsión, dan lugar a la obtención del intermedio o precursor de hilatura denominado mecha con un aspecto más similar al del hilado final.
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Esta mecha, semejante en aspecto a un hilado, pero todavía con muy baja cohesión, es el intermedio textil necesario para posteriores procesos de hilatura, presentando densidades lineales entre 0.1-2.5 kTex o gramos por metro lineal y con mayor grado de cohesión que las cintas de carda previas.
Para que los hilos sean aptos para posteriores procesos de tejeduría, las mechas tienen que se procesadas mediante tecnologías de hilatura que les aporten resistencia y cohesión mediante la aplicación de torsión. De las diversas tecnologías de hilatura disponibles, la tecnología de hilatura por anillos (ring-spinning) o retorsión sin estiraje son las más adecuadas para el procesado de fibras de refuerzo, no obstante, existen investigaciones con tecnologías alternativas con peores resultados dado su bajo grado de desarrollo, como la hilatura por fricción y la hilatura por envoltura [12].
El principio de funcionamiento de estas tecnologías está basado en retorcer la mezcla de fibras mediante la acción de un anillo metálico o cursor y un huso que gira a alta velocidad. En el caso de la hilatura por anillos la alimentación de la mecha se realiza a través de un conjunto de rodillos de estirado que disminuye su densidad lineal . Y en el caso de la hilatura por retorsión únicamente se produce la acción de retorsión por acción del cursor sin la aplicación de estiraje.
El mecanismo clave de ambas tecnologías incluye un anillo fijo y un cursor (una pequeña pieza metálica) que se desliza alrededor del anillo a medida que el huso gira. Este cursor controla la tensión y la torsión del hilo mientras se enrolla en la bobina del huso. La torsión generada determina la resistencia del hilo siendo especialmente crítico de controlar en el caso de las fibras de refuerzo de composites, ya que un excesivo grado de torsión causa la rotura de estas fibras y un bajo grado de torsión da lugar a un hilo débil y poco cohesionado no apto para procesos de tejeduría.
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El estado de la técnica actual permite la obtención de hilados de bajo grosor mediante hilatura por anillos con densidades lineales típicas entre 10-50 Nm (miles de metros por kg de hilo) los cuales no tienen grandes aplicaciones en la industria de los composites dada su finura. No obstante, la tecnología de hilatura por retorsión, sí que permite obtener hilados con densidades lineales altas, similares a los filamentos de carbono virgen, pudiéndose obtener homólogos a los comunes multifilamentos de fibra de carbono 3K, 6K, 12K y 24K (200, 400, 800 y 1600 Tex respectivamente, siendo su equivalente el número de gramos por cada 1000 metros de hilo).
En la actualidad, estos hilados debido a la discontinuidad que presentan por la utilización de fibras cortadas (<120mm), dan lugar a que sus propiedades mecánicas sean bajas y no adecuadas para su aplicación en composites estructurales, pero si para aplicaciones en las que se requiera ligereza o bajo peso específico.
No obstante, la gran ventaja de la revalorización mediante tecnología de hilatura versa en la posibilidad de hibridar estos hilados con filamentos vírgenes de fibra de carbono, de forma que se potencien enormemente sus propiedades mecánicas a la vez que se disminuye de manera notable el impacto ambiental y la energía embebida de los productos desarrollados al incorporar porcentajes significativos de fibra reciclada [14].
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La máquina utilizada en la industria textil para el procesamiento posterior de la cinta
4 - TECNOLOGÍAS DE OBTENCIÓN DE UD-TAPES
Complementando a la tecnología de hilatura, en la actualidad se están realizando investigaciones para la obtención de cintas unidireccionales (UD-tapes) basados en fibras de refuerzo. Aprovechando el conocimiento generado en los procesos de carda y afinado de cintas mediante manuar, el centro tecnológico AITEX ha desarrollado y solicitado la patente [19] de un equipo y método para la obtención de estas cintas unidireccionales, presentando mayor facilidad de procesado que la obtención de hilados y altas expectativas de posibilidad de aplicación en tecnologías AFP (“automated fiber placement”) y ATL (“automated tape lay-up”) para la obtención de composites termoplásticos evitando el proceso de tejeduría y simplificando el proceso productivo.
Partiendo de las cintas de carda homogeneizadas y con las fibras ya alineadas en la dirección longitudinal de la cinta, mediante diversos procesos térmicos, estas son consolidadas en formato bidimensional y posteriormente cortadas al ancho deseado, presentando un algo grado de alineación de las fibras y la posibilidad de variar sus espesores y anchos, en función de los parámetros definidos durante la obtención de las cintas de carda.
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5 - EJEMPLOS DE DESAROLLOS DE TECNOLOGÍAS DE REVALORIZACIÓN EN ESPAÑA
La obtención de no-tejidos todavía no está instaurada en España, pero si a nivel europeo dónde es posible encontrar varias empresas como la británica Gen2Carbon que comercializa no-tejidos con fibra de carbono reciclada en diversos formatos. En lo que respecta a la fibra de vidrio no es tan común encontrar artículos obtenidos a partir de estas fibras, pero varias iniciativas nacionales a través de proyectos de investigación como el proyecto Eocene [20] están en la actualidad buscando soluciones que permitan su revalorización, principalmente a partir de residuos de aerogeneradores dado el gran volumen de residuos que se está generando en los últimos años. Su principal objetivo es volver a poner en el mercado estos materiales para aplicaciones que requieran menores requerimientos mecánicos.
En cuanto la obtención de hilados con fibra reciclada, preferentemente con fibra de carbono por su alto valor añadido y coste de obtención, centros tecnológicos como AITEX de forma individual y en colaboración con otras instituciones y empresas del sector, han apostado firmemente en el desarrollo de estas tecnologías. Ejemplo de ello, es la solicitud de patente P202330884, así como numerosos proyectos nacionales [21-22-23] y europeos [24], en los cuales se han desarrollados intermedios textiles en forma de hilados y posteriormente tejidos, que una vez transformados en composites han demostrado mejorar las propiedades mecánicas respecto a soluciones como los no-tejidos, así como facilitar su procesado mediante tecnologías habituales para la obtención de composites, tanto termoplásticos como termoestables
En lo que respecta a sus propiedades mecánicas, todavía es necesario un profundo estudio del comportamiento de estos nuevos intermedios y composites obtenidos a partir de fibra reciclada. Principalmente, en la demostración de la mejora de las propiedades mecánicas de actuales soluciones comerciales como los no-tejidos respecto a soluciones innovadoras como los tejidos obtenidos a partir de hilados de fibra reciclada.
Estas investigaciones se están llevando a cabo en la actualidad, no obstante, los primeros resultados realizados sobre composites termoplásticos en el marco del proyecto EU r-LightBioCom [24] con aplicación de los materiales desarrollados a campos estratégicos como la automoción, aeronáutica e ingeniería civil, han demostrado que la mejora en el alineamiento y paralelización de las fibras durante la obtención de los hilados da lugar a mejoras en el comportamiento mecánico con el aumento de propiedades clave como el módulo de Young y el módulo de flexión de los materiales obtenido. Sin embargo, tal como se aprecia en la siguiente gráfica, a igualdad de condiciones (densidad), todavía están lejos de los valores obtenidos con material virgen. Por ello, se constata la necesidad de hibridar estos intermedios con material virgen, de modo que se mejoren sus propiedades mecánicas y a su vez se mantenga la componente de sostenibilidad de estos materiales.
6 - CONCLUSIONES
En este capítulo se ha expuesto el potencial de revalorización de fibras de refuerzo mediante la aplicación y modificación de tecnologías textiles que permiten la obtención de nuevos intermedios textiles aptos para la obtención de composites. En la actualidad, los esfuerzos se centran en la revalorización de fibras de carbono debido a su alto valor añadido y elevado coste energético de obtención, no obstante, dichas tecnologías son de aplicación para otras fibras de refuerzo tales como el vidrio, las aramidas e incluso las fibras naturales.
Se espera que en los próximos años al igual que ocurrió con los no-tejidos, las tecnologías de revalorización por hilatura y obtención de UD-tapes sean escaladas a nivel industrial abriendo con ello nuevos mercados y ámbitos de aplicación de las fibras de refuerzo, generando nuevos composites más sostenibles al partir de material reciclado. La investigación en las tecnologías de hibridación y “commingling” permitirá potenciar y diseñar composites con propiedades mecánicas mejoradas llegando incluso a ser aptos para aplicaciones con requisitos estructurales.
7 - BIBLIOGRAFÍA
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[13] M. Hengstermann, K. Kopelmann, A. Nocke, A. Abdkader y C. Cherif, «Development of a new hybrid yarn construction from recycled carbon fibres for high-performance composites: Part IV: Measurement of recycled carbon fibre length,» Journal of Engineered Fibers and Fabrics, vol. 15, 5 2020. doi: 10.1177/1558925020910729
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[15] Wölling, J., Schmieg, M., Manis, F., & Drechsler, K. (2017). Nonwovens from Recycled Carbon Fibres – Comparison of Processing Technologies. Procedia CIRP, 66, 271-276. https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.281
[16] Fuchs H., Albrecht W.: Vliesstoffe - Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2012.
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[18] Patent application ES-P202330884, AITEX “Equipment for obtaining a continuous hybrid yarn, production process using such equipment and continuous hybrid yarn obtained by such process”. 2023.
[19] Patent application (number not assigned), AITEX “Equipment and procedure for obtaining thermoplastic tape”. 2024.
[20] Eocene | Proyecto Eocene (proyecto-eocene.com) (12/05/2024); Proyecto subvencionado por CDTI
[21] rGENERA_informe_final_web-1.pdf (www.aitex.es) (27/08/2024);
[22] RGENERA II - FIBRA DE CARBONO REUTILIZADA PARA TEXTILES (www.aitex.es) (27/08/2024)
[23] Red Osiris Network Reciclado de Plásticos (27/08/2024); Proyecto subvencionado por CDTI
[24] European project “r-LightBioCom” https://www.r-lightbiocom.eu/ (27/08/2024); GA ID: 101091691
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Published on 15/10/24
Submitted on 15/10/24
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