El epoxi a base de plantas permite la fibra de carbono reciclable y mejora la economía de los vehículos eléctricos del mercado masivo

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Los investigadores de NREL crean epoxi derivado de plantas que permite la fibra de carbono reciclable.

Diez veces más resistente que el acero, casi la mitad del peso del aluminio, mucho más rígido que la fibra de vidrio: la fibra de carbono tiene un paquete de ventajas, lo que la convierte en el material preferido para su uso en sedanes de lujo y autos de carreras de Fórmula Uno por igual.

Pero aún necesita perfeccionarse para que sea económico para los vehículos del mercado masivo, según el científico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés), Nicholas Rorrer. “La fibra de carbono es cara”, explicó. “También requiere mucha energía para fabricarlo, por lo que no es exactamente amigable con los gases de efecto invernadero (GEI). Hacer que la fibra de carbono sea fácilmente reciclable podría ayudar en ambos aspectos”.

Gracias a los avances recientes en el diseño de materiales de base biológica, el reciclaje de fibra de carbono a escala industrial ya podría estar al alcance de la mano.

A través de un proyecto respaldado por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía de EE. UU., en el marco del Programa Núcleo de Compuestos, Rorrer y otros investigadores del NREL han demostrado que la fabricación de compuestos de fibra de carbono con resinas epoxi de base biológica y un endurecedor de anhídrido hace que el material sea totalmente reciclable mediante la introducción de vínculos que se degradan más fácilmente. De hecho, el proceso de reciclaje, llamado metanólisis, puede activarse selectivamente a temperatura ambiente sin degradar la calidad o la orientación de las fibras. Eso podría representar un gran paso hacia un material circular, que puede hacer que la fibra de carbono sea más barata y ecológica cuando se usa en varias vidas.

Una mirada cercana a la fibra de carbono

Fuerte y ligero a la vez, las ventajas de la fibra de carbono provienen de su diseño en capas. Es un material compuesto de filamentos largos de carbono puro y un recubrimiento epoxi similar al pegamento conocido como “termoestable”. Al curar, las moléculas de la resina líquida se unen entre sí y alrededor de los filamentos de carbono tejidos, endureciéndose en una red fuerte y rígida.

Cuando se produce con un molde, el material puede tomar una variedad de formas para una variedad de aplicaciones, desde parachoques de automóviles hasta palas de turbinas eólicas y más.

Sin embargo, la naturaleza termoestable del epoxi curado hace que esos productos superiores sean difíciles de romper, especialmente sin dañar gravemente los filamentos de carbono. Los productos fabricados con fibra de carbono, a pesar de su precio superior, a menudo se dirigen al vertedero al final de su vida útil, junto con los beneficios de eficiencia que puedan haber obtenido.

De hecho, aunque la fibra de carbono podría reducir el peso de un automóvil de pasajeros típico a la mitad, aumentando su eficiencia de combustible hasta en un 35 %, cualquier beneficio de eficiencia se compensa efectivamente con la energía intensiva en GEI utilizada para fabricarlo. La síntesis de fibra de carbono implica temperaturas de más de 1.000 °C.

Esa realidad hizo que Rorrer pensara: “¿Hay alguna forma de reutilizar la fibra de carbono en múltiples vidas materiales para recuperar esa fibra y obtener más valor y beneficios ambientales?”

Hacer que el epoxi sea reciclable por diseño

Rorrer y sus compañeros de equipo comenzaron a experimentar con la química de la biomasa para comprender si podría permitir un nuevo epoxi diseñado para ser reciclable. En comparación con los hidrocarburos del petróleo, la biomasa contiene niveles más altos de oxígeno y nitrógeno, lo que ofrece un conjunto diferente de posibilidades químicas.

“Esencialmente, rediseñamos las resinas de aminas epoxi (los termoestables actuales en fibra de carbono) con epoxi y anhídridos sintetizados a partir de biomasa, predominantemente a partir de la conversión biológica y química de los azúcares”, explicó Rorrer. “Hemos demostrado que esa resina reformulada puede mantener y/o superar las mismas propiedades que las resinas de amina epoxi actuales, pero también hacerlas reciclables por diseño, y a temperatura ambiente”.

Usando un catalizador especial, el equipo de NREL pudo descomponer la resina de base biológica a temperatura ambiente, un proceso conocido como “despolimerización”. Eso les permitió recuperar los filamentos de carbono manteniendo su calidad y alineación.

“De hecho, podemos mantener la calidad de la fibra durante al menos tres vidas materiales”, dijo Rorrer. “Entonces, no solo podemos reciclarlo; somos capaces de reciclarlo sin ningún perjuicio para las propiedades. No estamos reciclando el material en absoluto”.

Combinado con la investigación de NREL sobre acrilonitrilo de base biológica de bajo costo como precursor de fibra de carbono — que ganó un premio R&D 100 en 2018 — el avance en epoxi podría contribuir en gran medida a hacer que los compuestos de fibra de carbono sean más rentables y respetuosos con el medio ambiente.

Ser capaz de extraer y reciclar la fibra de carbono podría hacer que el material sea más económico para los vehículos eléctricos del mercado masivo, liberando peso y espacio para las baterías. También reduciría la huella de GEI del material entre un 20 % y un 40 %. Mejor aún, podría lograr todo eso sin aumentar los costos de fabricación, ya que Rorrer estima que el epoxi de NREL podría producirse por aproximadamente el mismo precio que las resinas epoxi-amina a base de petróleo de la actualidad.

“Al usar materias primas de base biológica en lugar de materias primas petroquímicas, no tenemos que usar energía adicional para reestructurar drásticamente sus productos químicos”, agregó Rorrer. “Eso nos permite diseñar de forma más precisa, económica y eficaz materiales avanzados con ventajas medioambientales y de rendimiento”.

Obtenga más información sobre los NREL descarbonización del transporte investigar.

Artículo cortesía de Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

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Y eso es todo por ahora, volverás a saber de mi la próxima noticia. ¡Hasta más ver!

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