La fibra de carbono (CF) ha adquirido un atractivo casi místico en el marketing de consumo, promocionada como más fuerte que el acero pero extremadamente liviana. Esto se aplica principalmente a fibras combinadas con resina y tejidas en un material compuesto que se utiliza en todo, desde carrocerías de automóviles hasta cuadros de bicicletas. Este look CF es tan sexy que se agregaron a los productos el patrón de tejido y los colores típicos del compuesto de fibra de carbono como acentos puramente cosméticos.
Recientemente, se ha añadido fibra de carbono picada (CCF) a los termoplásticos extruidos con nuestras impresoras 3D. Aunque no hay evidencia clara de que esto traerá mejoras materiales, el mismo tipo de misticismo persiste aquí. Aunque hay evidencia de que estas fibras cortadas se integran mal en la matriz termoplástica, las afirmaciones de marketing permanecen sin cambios.
Como la mayoría de las cosas, hay una forma correcta y una incorrecta. Sameh Dabees et al. en compuestos por ejemplo, se cubrieron las modificaciones de la superficie del CF necesarias para la integración termoplástica con el CF.
Fibras de carbono
Hay muchas formas de producir CF; a menudo se utilizan como materias primas poliacrilonitrilo, rayón o brea. Una vez que este precursor se hila hasta formar una fibra adecuada, el calentamiento provoca la carbonización para producir fibra de carbono.
Después de este proceso, el CF suele ser una fibra de unos pocos micrómetros de espesor, que es esencialmente carbono puro. Para crear una interfaz estructural entre el CF y el polímero del material compuesto, debe ocurrir algún proceso que cree esta interfaz.
La diferencia fundamental entre los polímeros termoestables y termoplásticos es que los polímeros termoestables reaccionan en el molde a medida que se endurece, proporcionando un entorno en el que el precursor epoxi y el endurecedor pueden interactuar con el CF normalmente no reactivo químicamente para formar enlaces covalentes.
En comparación, los polímeros termoplásticos están fácilmente disponibles, pero los enlaces covalentes entre los termoplásticos y los CF son poco probables. Esto significa que en los termoplásticos reforzados con CF, el énfasis se centra principalmente en interacciones no covalentes más débiles, como las fuerzas de van der Waals, las interacciones pi y los enlaces de hidrógeno. Cada una de estas interacciones también depende de la compatibilidad del termoplástico, como la presencia de anillos aromáticos para las interacciones pi.
haciéndolo pegajoso
Teniendo en cuenta estos desafíos, ¿cómo se puede inducir a los termoplásticos a formar una interfaz significativa con la FQ? Como se señaló en el trabajo previamente citado de Sameh Dabees et al., no existe un único tratamiento de superficie para la FQ que funcione para todos los polímeros termoplásticos como consecuencia lógica de las limitaciones impuestas por las interacciones no covalentes disponibles.
Una forma de producir CF es aplicar un recubrimiento a la fibra llamado apresto. Si se dimensiona la fibra para que sea compatible con el termoplástico objetivo, se espera que mejore el contacto con el material a granel. En un estudio citado sobre el estampado con poliamida-ácido de materiales a granel de poliimida, este recubrimiento produjo una interfaz de aproximadamente 85 nm y la resistencia al corte de la interfaz aumentó en un 32,3%. En otro estudio centrado en CF-PEEK, se utilizó un revestimiento soluble en agua a base de poliimida, que también mejoró significativamente la resistencia al corte.
Por supuesto, este tamaño debe adherirse al CF para que no desaparezca en el termoplástico a granel. Este es un problema que se observa fácilmente en los polímeros termoplásticos impresos con FDM como huecos distintos alrededor del CF donde el polímero en masa se ha alejado durante la cristalización y no se ha formado ninguna interfaz. Evidentemente, estos huecos crean un punto débil en lugar de fortalecer el material.
Modificación de fibra
Aunque el CF se confunde a menudo con los nanotubos de carbono, no tiene la estructura rígidamente ordenada que tienen. En cambio, debido al método de producción, tienen una estructura de grafito, es decir, láminas de grafito colocadas una al lado de otra de forma irregular. A pesar de esto, la superficie exterior permanece lisa, de ahí la inercia química. Combinado con la falta de reactividad de los termoplásticos, esto resalta la necesidad de algo que cierre la brecha.
Dabees et al. cubre los tipos más comunes de tratamientos de superficie; en el gráfico anterior se ofrece un resumen de los métodos. Quizás uno de los métodos más simples sea recubrir CF con epoxi, cambiando la superficie de termoplástico CF a termoplástico termoestable. Este tipo de enfoque híbrido muestra resultados prometedores, pero también es una solución difícil y no universal.
Tenga en cuenta que prácticamente toda la investigación aquí se centra en polímeros termoplásticos como el policarbonato y PEEK, ya que se utilizan con mayor frecuencia en entornos industriales y médicos. Sin embargo, incluso dentro de este círculo más reducido, hay poca investigación para comprender los efectos exactos de estas modificaciones. Gran parte de esto se debe a lo difícil que resulta caracterizar los efectos de un tratamiento cuando se tienen en cuenta todas las demás variables.
Quizás lo más frustrante de todo es lo difícil que es investigar este tema, dado el tamaño de la superficie del CF y el pequeño espesor de la interfaz CF-polímero. Depender de pruebas puramente mecánicas para cuantificar el efecto es tentador, pero en última instancia no logra reconocer por qué un método parece funcionar mejor que otro.
Vibraciones versus ciencia
La conclusión general que sacamos de este artículo de revisión en particular es que, si bien sabemos que los materiales compuestos a menudo pueden mejorar, reconocemos que la comprensión de los fundamentos aún es bastante incompleta en el caso de los compuestos termoplásticos-CF.
Fuera del mundo menos convencional de los entornos industriales y médicos, el CF ahora se agrega ampliamente a los polímeros termoplásticos, principalmente en forma de filamentos utilizados en impresoras 3D FDM. Sin información detallada sobre si los fabricantes de estos filamentos realizan modificaciones en la superficie CF, es muy difícil comparar diferentes filamentos de polímero CF, incluso antes de considerar configuraciones de impresoras FDM individuales y escenarios de prueba.
Teniendo en cuenta que el CF fue identificado hace unos años como un carcinógeno potencial relacionado con el amianto, surge la pregunta de si realmente queremos introducir CF, y especialmente fibras de carbono muy finamente picadas, en todo lo que nos rodea, especialmente en los termoplásticos. Cuando la evidencia empírica que tenemos hoy muestra que las mejoras mecánicas no se deben a la interfaz sólida CF-polímero, y los riesgos cancerígenos potenciales todavía están a años de aclararse, entonces la opción lógica sería abstenerse de utilizar termoplásticos CF hasta que se comprendan mejor los beneficios y riesgos.
