¿Qué es la fibra de carbón?

La fibra de carbón es un filamento largo y material delgado de 0.0002-0.0004 pulgadas (0.005-0.010 mm) en diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbón se enlazan en cristales microscópicos que están más o menos alineados paralelamente al eje largo de la fibra. La alineación del cristal hace a la fibra increíblemente fuerte para su tamaño. Varias miles de fibras de carbón son retorcidas juntas para formar un hilo, que puede ser usado por si solo o como tejido de una tela. El hilo o tejido es combinado con un epóxido y se adhiere o moldea en forma para formar varios tipos de materiales compuestos. Los materiales compuestos de fibra de carbón reforzada se utilizan para hacer piezas de aviones y de naves espaciales, partes de autos de carreras, armazón para bicicletas, cañas de pescar, resortes automotrices, mástiles de barcos de vela, y muchos otros componentes donde es necesario un material ligero y de alta resistencia.

Las fibras de carbón son clasificadas de acuerdo a los módulos de tensión de las fibras. El modulo de tensión es una medida de cuanta fuerza de tensión de una fibra determinada por su diámetro puede ejercer sin romperse. La unidad de medida inglesa es libras de fuerza por pulgada cuadrada de superficie transversal, o PSI. Las fibras de carbón clasificadas como “modulo bajo” tiene un modulo de tensión de 34.8 millones de PSI (240 millones de kPa). Otras clasificaciones en orden ascendente de los módulos de tensión, incluyen “módulos estándar”, “módulos intermedio”, “módulos altos” y “módulos ultra altos”. Los módulos ultra altos de fibra de carbón tienen un modulo de tensión de 72.5 -145 millones de PSI (500 million-1,000 millones de kPa). Como comparación, el acero tiene un modulo de tensión de cerca de 29 millones de PSI (200 millones de kPa). De este modo, las fibras de carbón son diez veces más fuertes que el acero y ocho veces más que el aluminio, sin mencionar que es la fibra de carbón es mucho más ligero que ambos, 5 y 1.5 veces respectivamente. Adicionalmente, sus propiedades de fatiga son superiores a todas las estructura metálicas, y son uno de los materiales más resistentes a la corrosión disponibles cuando se combinan con las resinas adecuadas.

A continuación se muestran las características de la fibra de carbón, fibra de vidrio, aluminio y acero:

¿Cómo está hecha la fibra de carbón?

La materia prima usada para fabricar la fibra de carbón es llamada precursor. Cerca del 90% de las fibras de carbón producidas son hechas de poliacrilonitrilo (PAN). El 10% restante es hecho de rayón o brea de petróleo. Todos estos materiales son polímeros orgánicos que se caracterizan por cadenas largas de moléculas unidas entre sí por átomos de carbono. La composición exacta de cada precursor variará de una compañía a otra y es generalmente considerado un secreto comercial.

Durante el proceso de manufactura, son usados una variedad de gases y liquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra y conseguir efectos específicos. Otros materiales son diseñados para no reaccionar o para prevenir ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, la composición exacta de de muchos de estos materiales de proceso son considerados secretos comerciales.

El proceso para hacer las fibras de carbón es parte químico y parte mecánico. El precursor es estirado en largos hilos o fibras y luego se calienta a temperaturas muy altas sin permitir que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no se puede quemar. En cambio, la temperatura alta hace que los átomos en la fibra vibren violentamente hasta que la mayoría de los átomos no-carbonos sean expulsados. A este proceso se le denomina carbonización.

La historia de la fibra de carbón

Durante la década de los 70’s, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas permitió la introducción de las fibras de carbón hechas a partir de la brea de petróleo derivado de su procesamiento. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Desafortunadamente, sólo tenían una resistencia limitada a la compresión y no eran ampliamente aceptados.

Actualmente, las fibras de carbón son parte importante de muchos productos, y nuevas aplicaciones son desarrolladas cada año. Los Estados Unidos, Japón y Europa Occidental son los principales productores de fibras de carbón.

A continuación se muestra un gráfico que representa el avance de las fibras de carbón:

El futuro de la fibra de carbón

El futuro de la fibra de carbón es muy brillante, con un gran potencial en diversas industrias. Entre ellas:

Para desarrollar completamente las fibras de carbón en estas y otras industrias, los fabricantes de fibra de carbón necesitan de continuar  aumentando su capacidad y cambiar su modo de pensar comprometiéndose con el concepto de comercialización.

Algunas tendencias de crecimiento a futuro para la industria de la fibra de carbón, se muestran a continuación:

Zoltek de México pertenece al Zoltek Corporation y cuenta con una experiencia de más de 20 años, desarrollando, produciendo y comercializando fibras técnicas. Son productores de fibras oxidadas y de carbón con plantas de producción en Hungría, Estados Unidos y México.

Dentro de su gama de productos se encuentra la fibra de carbón, como la fibra PYRON®:

PYRON®  es una fibra intrínsecamente ignifuga con características únicas:

Usos y aplicaciones de la fibra PYRON®

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Los productos del carbón

El carbón es un producto natural, integrado en su mayor proporción por carbono. Su formación es el resultado de la descomposición de árboles, y de vegetación exuberante que existió sobre la tierra hace miles, o quizá millones de años. Los diversos catalicismos geológicos que modificaron la superficie de nuestro planeta durante milenios, sepultaron dicha vegetación a grandes profundidades provocando su descomposición y su proceso de transformación en otras sustancias: el carbón principalmente.

El hundimiento de dicha capa vegetal hubo de repetirse, quizá, en varias ocasiones durante el transcurso de los siglos y que se han encontrado extractos de carbono a diferentes profundidades. Correlativamente, de acuerdo con la edad histórica en que tales hundimientos pudieron ocurrir, los depósitos del mineral presentan diferentes etapas de carbonización.

El proceso de carbonización, o sea, la transformación de un vegetal en mineral, muestra la influencia de las altas temperaturas y presiones, así como la acción de microorganismos. Ambos factores dan por resultado diversas especies de carbón mineral, de acuerdo con los resultados realizados hasta el presente.

Entre estas especies, sobresale, la turba, con una proporción del 50 al 59 por ciento de carbono; el lignito, con 69, la hulla con 82 y hasta 94 por ciento; la antracita con 95 y hasta un 100 por ciento de carbono.

Usos principales de los productos del carbón

La turba y lignito se emplean principalmente en usos domésticos, en pequeñas calderas de vapor, para destilación a bajas temperaturas. La hulla, que es la variedad más abundante y significativa, tiene múltiples aplicaciones. Se emplea sobre todo en la producción de gas, el alumbrado y para la operación de grandes calderas. Así mismo, se utiliza en las fraguas industriales, al destilarse de ella el llamado “carbón de coque” o “coque” metalúrgico.

La antracita, por su parte, se destina tanto a la calefacción domestica como el trabajo de las fraguas. Entre las numerosas aplicaciones del carbón mineral, dos pueden considerarse fundamentales: su uso como combustible, en aquellas variedades de carbón que no producen destilación del coque y su uso en la metalurgia, para la producción de diversas variedades y calidades del hierro.

En otras palabras, la división fundamental se establece entre el carbón mineral no coquizable y el coquizable.

PASDA Industrial es una empresa de servicio que se ha especializado en los diferentes productos del carbón como son: la antracita, grafito, coque de petróleo y coque metalúrgico.

Grafito

El grafito es  una de las formas elementales en las que se puede presentar el carbono. Otras formas bien conocidas son el diamante y la antracita. El grafito es la forma estable a presiones y temperaturas bajas de la materia orgánica , se puede convertir en diamante aumentando la temperatura  y la presión utilizando un catalizador para aumenta la velocidad.

Aplicaciones del grafito

El grafito es un material refractario que se emplea en la fabricación de ladrillos, refractarios monolitos, crisoles, etc. Al deslizarse en el grafito las capas fácilmente resulta ser un buen lubricante sólido. Se emplea también para la fabricación de juntas, pistones rodamientos etc., y al ser un buen conductor de la electricidad y se emplea en la fabricación de electrodos o escobillas para aplicaciones eléctricas. También se emplea en la elaboración de pinturas para moldes de arena en fundición. El grafito mezclado con una pasta sirve para la fabricación de lápices se utiliza también como componente para la fabricación de pasta para balatas. Otra de sus aplicaciones es como material recarburante en la fabricación de los aceros. También se emplea mezclado con cal o con dolomita en la fabricación para elaborar escorias sintéticas. Para las diferentes aplicaciones del grafito se emplea el material en diferentes tamaños pudiendo ser este principalmente.

Antracita

La antracita es un producto también llamado en coacciones carbón duro, en comparación con el grafito es un material más brillante y con mayor dureza, presenta un brillo casi metálico. Es un material que presenta dificultades para encenderse, pero una vez que prende se quema emitiendo una flama azul.

La antracita es particularmente adaptable para usos domésticos en calefacción porque produce poco polvo, se quema muy despacio y casi no produce humo. Es algunas ocasiones se mezcla con carbón bituminoso para reducir la posibilidad de emisión de humos.

Coque metalúrgico

El coque metalúrgico es el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva, o pirolisis, de determinados carbones minerales, como las hullas (o carbones bituminosos) que poseen propiedades coquizantes; es decir, capacidad de transformarse en coque después de haber pasado por una fase plástica. En la práctica, para la fabricación del coque metalúrgico se utilizan mezclas complejas que pueden incluir más de 10 tipos diferentes de carbones minerales en distintas proporciones.

El proceso de pirolisis mediante el cual se obtiene el coque se denomina coquización y consiste en un calentamiento (entre 1000 y 1200ºC) en ausencia de oxígeno hasta eliminar la práctica totalidad de la materia volátil del carbón, o mezcla de carbones, que se coquizan. La mayoría del coque metalúrgico se usa en los altos hornos de la industria siderúrgica para la producción del acero (coque siderúrgico).

Dado el gran consumo de coque que es necesario para el funcionamiento de los hornos, estos suelen ser una instalación anexa a las industrias siderúrgicas. El coque metalúrgico también se utiliza en la industria de la fundición del hierro (coque de fundición). En general, el coque de fundición suele ser de un tamaño mayor que el siderúrgico.

Coque de petróleo

El coque de petróleo es un producto residual de elevado contenido en carbono, resultante de la pirolisis de las fracciones pesadas obtenidas en el refino del petróleo,  que ha pasado a  través de un estado líquido cristalino (también denominado mesofase) durante el proceso de carbonización y que está constituido por carbono no grafítico, pero grafitizable. Básicamente, se pueden clasificar los distintos tipos de coque de petróleo en cuatro calidades distintas:

La obtención de uno u otro depende, en parte,  de las variables operativas, pero sobre todo de las características de los residuos de partida, lo  cuales tienen distinta procedencia.

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La varilla de acero corrugada

Las varillas corrugadas de acero se utilizan como refuerzo en la construcción con concreto. Además de tener un papel fundamental en absorber los esfuerzos de tracción y torsión de la construcción.

Las varillas se pueden utilizar en la construcción de losas aligeradas de claros cortos, vigas, trabes, dalas, castillos, losas sólidas de claros cortos, castillos ahogados, elementos prefabricados, postes de concreto, acero adicional para viguetas, estribos, refuerzo horizontal en muros de mampostería (tipo escalerilla) y tubería de concreto.

Las varillas son barras de acero, generalmente de sección circular, con diámetros específicos a partir de un cuarto de pulgada y comercialmente disponibles hasta con diámetro de una pulgada.

Normalmente la superficie de estas varillas es corrugada (rebordes) que mejoran la adherencia a los materiales aglomerantes e inhiben el movimiento relativo longitudinal entre la varilla y el concreto que la rodea.

Las corrugaciones deben estar espaciadas a lo largo de la varilla a distancias sustancialmente uniformes. Las corrugaciones sobre los lados opuestos de las varillas deben ser similares en tamaño y forma.

También existen varillas de sección cuadrada empleadas con más frecuencia en la herrería.

En México, la fabricación de varilla está regida con la norma oficial mexicana NMX-C-407

La norma establece que las varillas se clasifican, por su esfuerzo de fluencia nominal, en tres grados: Grado 30, Grado 42 y Grado 52.

Respecto a la composición química, la norma establece que el análisis de colada debe mostrar un contenido de fósforo en el acero que no exceda el 0.050 %, en masa. Asimismo establece que el contenido de fósforo en la varilla no debe exceder a 0.062 %, en masa

La norma también establece la masa nominal en kg/m y las dimensiones nominales en diámetro, área de la sección transversal y perímetro de las varillas comercialmente disponibles.

La designación de las varillas de indicar los siguientes datos como mínimo, para describirlas adecuadamente:

a) Cantidad
b) Número y nombre de la norma que se está usando para designarlas
c) Diámetros y longitud
d) Corrugada o lisa
e) Grado
f) Empaque
g) Informe de los resultados de prueba, si se requiere

Un ejemplo de descripción es como sigue:
10 t, NMX-C-407, varillas corrugadas y lisas de acero procedentes de eje, para refuerzo de concreto, número 10, 6 m, grado 30, en atados, corrugada, informe de los resultados de pruebas.

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