¿Cómo se transforma la fibra de carbono desde el petróleo/bitumen en "oro negro"?

¿Puede creerlo? El armazón central de las raquetas de los campeones olímpicos, capaces de golpear volantes a 300 km/h, los coches de Fórmula 1 con carrocerías que soportan aceleraciones de 0 a 100 km/h en 2,3 segundos, e incluso las estructuras externas de los cohetes espaciales que atraviesan la atmósfera: todo su soporte proviene del 'residuo negro' descartado tras el refinado del petróleo.

Hoy profundizamos en el notable auge de la fibra de carbono, la 'materia prima líder' en ciencia de materiales. Descubra cómo el humilde asfalto de petróleo superó innumerables pruebas para transformarse en un 'oro negro' más valioso que la plata.

¿Por qué se le llama "oro negro"?
Antes de embarcarnos en este viaje de transformación, abordemos primero una pregunta fundamental: ¿por qué se compara frecuentemente la fibra de carbono con el oro?
(1) Su precio es verdaderamente 'digno de oro': la fibra de carbono estándar cuesta varios miles de yuanes por kilogramo, mientras que la fibra de carbono de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales puede alcanzar los 20.000 yuanes por kilogramo, lo que la hace más cara que la plata (aproximadamente 5 yuanes por gramo).

(2) Su rendimiento es formidable: pesa apenas un cuarto que el acero, pero tiene diez veces su resistencia, resiste la corrosión en ácidos fuertes y no se vuelve frágil a -180°C.

(3) Su escasez es verdaderamente formidable: solo una docena de países en todo el mundo poseen la tecnología para producción masiva, y la fibra de carbono de alta calidad está clasificada como un "material estratégico", lo que dificulta su adquisición incluso cuando se desea.

Este "todoterreno" proviene del asfalto, un subproducto del refinado del petróleo, de forma similar a extraer diamantes de montones de carbón, con cada paso lleno de asombro.

Del asfalto a la fibra de carbono: ¡un proceso de 'alquimia' en cinco pasos en el que ni un solo paso puede pasarse por alto!

Paso uno: selección de materiales — lo mejor de lo mejor: bitumen premium
No todo el bitumen puede tener una segunda oportunidad. El bitumen que normalmente usamos en la construcción de carreteras contiene demasiadas impurezas y tiene bajo contenido de carbono, por lo que no es adecuado. Solo el "bitumen de grado especial" con alta pureza, alto contenido de carbono (90 %) y bajo contenido de azufre y metales puede utilizarse para la producción de fibra de carbono.

Los ingenieros emplean la extracción con disolventes para "bañar" el asfalto: sumergiéndolo en disolventes especializados para filtrar impurezas como azufre, nitrógeno y metales pesados, de forma similar a cómo se cierne la arena. Luego, la destilación refina su estructura molecular, dotándolo del potencial para ser estirado en filamentos y resistir altas temperaturas.

Esta etapa se asemeja a la selección de atletas: solo aquellos con "bases sólidas" pueden soportar el entrenamiento intensivo posterior.

Paso Dos: Hilatura — extraer "hilos dorados" diez veces más finos que un cabello humano.
El betún purificado se calienta a 200–300 °C, transformándose en una "masa fundida" viscosa, similar a la miel. Esta masa fundida se fuerza luego a través de una "placa de hilatura" llena de pequeños orificios, cada uno con un diámetro de apenas 5–50 micrómetros (comparado con los 50–100 micrómetros de un cabello humano), ¡más fino que una aguja de bordar!

Los filamentos de asfalto extruidos a través de estos orificios se sumergen inmediatamente en agua fría o aire refrigerado para "enfriarse y solidificarse", formando continuos "haces de filamentos de asfalto". Este paso exige una habilidad técnica excepcional: una velocidad de extrusión ligeramente más alta hace que los filamentos se rompan; temperaturas de enfriamiento ligeramente más bajas los hacen frágiles; incluso un solo orificio bloqueado puede hacer que toda una partida de filamentos sea inservible.

Podría compararse con "producir artificialmente capullos de gusanos de seda", excepto que el "filamento" extruido es diez veces más fino que la seda.

Paso Tres: Preoxidación — Vistiendo al filamento con un "traje ignífugo"
El filamento de asfalto recién hilado es algo muy delicado: se rompe con el mínimo tirón y se incendia con la más mínima chispa. Para hacerlo resistente y duradero, el primer paso consiste en volverlo ignífugo.

El filamento crudo se coloca en un horno calentado a 150-300°C, donde se somete a un calentamiento lento en aire durante varias horas. Durante este proceso, los elementos de hidrógeno y oxígeno escapan gradualmente del filamento de asfalto. Su estructura molecular se transforma de lineal a un estado reticulado, y su color cambia de negro a marrón oscuro. ¡Lo más importante es que se vuelve ignífugo!

Este paso absolutamente no puede omitirse: saltarse la preoxidación y pasar directamente al procesamiento a alta temperatura haría que la fibra de asfalto se quemara instantáneamente, haciendo inútiles todos los esfuerzos anteriores. Además, la velocidad de calentamiento debe ser lenta; apresurarse provocaría una "tensión interna desigual" dentro de la fibra, causando grietas.

Paso Cuatro: Carbonización — Refinado a altas temperaturas para producir un "esqueleto de carbono puro"
El filamento crudo, ahora recubierto con su "vestimenta ignífuga", debe someterse a la "prueba definitiva" dentro del horno de carbonización. Este horno opera a temperaturas que oscilan entre 1000 y 1800 °C y debe mantener un ambiente libre de oxígeno (de lo contrario, el carbono se oxidaría en dióxido de carbono).

Bajo estas temperaturas extremas, los últimos rastros de elementos no carbonados (como hidrógeno y nitrógeno) dentro del filamento "escapan" en forma de gases. Lo que queda es casi carbono puro (contenido de carbono 90 %), cuya estructura molecular se reorganiza en ordenados "cristales tipo grafito". En esta etapa, el "filamento de asfalto" pasa formalmente a denominarse "precursor de fibra de carbono".

La temperatura de carbonización determina directamente el valor de la fibra de carbono: la fibra de carbono industrial ordinaria puede producirse alrededor de los 1000 °C, mientras que para la de grado aeroespacial se requieren temperaturas superiores a 2000 °C. Esto da lugar a una disposición más ordenada de los cristales de carbono y a una resistencia que aumenta varias veces, lo que naturalmente encarece su precio.

Paso cinco: Tratamiento superficial — Estableciendo conexiones para la fibra de carbono
La fibra de carbono recién carbonizada tiene una superficie tan lisa como el vidrio, lo que hace que tienda a 'resbalar' al unirse con materiales como resina o metal —algo así como dos paneles de vidrio lisos presionados juntos que se separan de golpe. La fibra de carbono tratada luego se teje en tela (la tela de fibra de carbono mencionada anteriormente) o se corta en fibras cortas, formando el "esqueleto central" de los materiales compuestos.
En este punto, finaliza el proceso de "metamorfosis" de 2 a 3 meses que comenzó con el asfalto.

¡Estos datos poco conocidos son desconocidos para el 90 % de las personas!

1. No todas las fibras de carbono provienen del alquitrán de petróleo: junto con el alquitrán de petróleo, el poliacrilonitrilo (PAN) y la fibra de viscosa también pueden utilizarse para producir fibra de carbono. La fibra de carbono basada en PAN representa el 90% de la producción mundial, mientras que la fibra de carbono basada en alquitrán es más adecuada para aplicaciones de alto rendimiento y alta resistencia.

2. Producir una tonelada de fibra de carbono consume 20 toneladas de materias primas: desde el alquitrán hasta la fibra de carbono, la tasa de rendimiento cae por debajo del 5%. No es de extrañar que sea tan cara.

3. China ha roto el monopolio: anteriormente, la fibra de carbono de alta gama estaba controlada por Europa, Estados Unidos y Japón. Ahora, China ha logrado la producción en masa de fibra de carbono grado T1100 (grado aeroespacial), con un precio un 30 % inferior al de las importaciones.

Qué fibra de carbono productos ha encontrado usted?
La fibra de carbono en realidad está muy lejos de ser ajena a nuestra vida diaria: más allá del sector aeroespacial y los deportes de motor, ahora se utiliza en cuadros de bicicletas de alta gama, brazos de drones e incluso carcasas de teléfonos móviles.

¿Has encontrado productos de fibra de carbono en tu entorno? ¿O qué aplicaciones futuras imaginas para este material? ¡Comparte tus ideas en los comentarios!

El modesto asfalto de petróleo experimentó una transformación extraordinaria durante varios meses, evolucionando hasta convertirse en el "oro negro" que sustenta la fabricación de alta gama. Detrás de esto se encuentra la incansable búsqueda de precisión milimétrica por parte de innumerables ingenieros, así como la continua aspiración de la humanidad por ampliar los límites de la ciencia de materiales. La próxima vez que te encuentres con un producto de fibra de carbono, quizá recuerdes: todo comenzó a partir de poco más que un residuo de petróleo descartado.