La difícil tarea de reciclar las fibras de carbono de coches y aviones

Por Félix Antonio López Gómez, Investigador Científico del CSIC. Reciclado de Materiales, Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM-CSIC); y Olga Rodríguez Largo, Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM-CSIC)

El uso de fibras de carbono ha ido aumentado de manera notable en los últimos años. En 2017 se consumieron en todo el mundo alrededor de 70.500 toneladas métricas. El aumento de la demanda durante la próxima década es un hecho, con previsiones que van desde 140 Mt para 2020 a 175 Mt para 2025. Estas elevadas estimaciones de consumo de fibra de carbono sugieren que, en el futuro, se generará una gran cantidad de residuos ricos en estos materiales.

La fibra de carbono se utiliza casi exclusivamente para fabricar materiales compuestos. Los materiales compuestos reforzados por fibras son los más importantes desde el punto de vista tecnológico, y entre ellos destacan los reforzados con fibra de carbono. Tienen una elevada resistencia a la fatiga y gran rigidez a bajas y altas temperaturas y, simultáneamente, una baja densidad, por lo que presentan una muy buena relación resistencia-peso.

Este tipo de materiales se emplean con cada vez más frecuencia, sobre todo en aplicaciones que necesitan materiales resistentes y ligeros. Se utilizan, por ejemplo, en la industria aeronáutica y de defensa (sectores que consumen el 36% del total) seguidos por la industria automovilística (24%), energía eólica (13%), deportes y ocio (13%), construcción (5%) y otros usos diversos (9%).

Por poner algún ejemplo representativo del amplio uso de estos materiales en las diferentes industrias, cabe destacar el Airbus A380: el 40% de su peso total corresponde a materiales compuestos de fibra de carbono.

Otro ejemplo significativo, en este caso en el sector del automóvil, es el modelo i3 de BMW, totalmente eléctrico, cuya carrocería está fabricada con estos materiales.

Con unos precios que oscilan entre los 30 y los 58 euros por kilogramo de fibra de carbono, existe una clara necesidad de desarrollar un modelo de economía circular para recuperarlas de los desechos y reintroducirlas como materias primas secundarias en lugar de desecharlas en vertederos o quemarlas en instalaciones de incineración (las dos opciones más utilizadas en la actualidad).

Estrategias de reciclado

Sus propiedades (estabilidad y resistencia) hacen que estos materiales sean difícilmente reciclables. Hasta ahora se han desarrollado principalmente tres grandes grupos de tecnologías de reciclado: mecánico, químico y por procesos térmicos.

• Los métodos de reciclado mecánico consisten en reducir el tamaño de partícula de los materiales compuestos mediante corte y trituración. En las primeras etapas, se retiran los metales y se continúa con moliendas para reducir el tamaño de partícula por debajo de 50 mm. Por último, se realiza una clasificación por tamaño de partícula.

El material resultante suele emplearse como cargas, en porcentajes bajos, para nuevos materiales, aunque podría emplearse también como combustible, debido al alto poder calorífico de las resinas. Las principales desventajas de este método son el extensivo uso de energía y la escasa utilidad de los materiales resultantes al obtenerse una mezcla de fibras y resinas.

• Los procesos de reciclado químico se basan, sobre todo, en la solvólisis que degrada los polímeros que forman los materiales compuestos para recuperar los monómeros. Son procesos realizados con fluidos supercríticos a altas presiones y mediante el uso de disolventes orgánicos.

Los monómeros pueden ser reutilizados en la industria para fabricar más polímeros, contribuyendo a la economía circular y mejorando el medio ambiente. Se evita de esta forma la síntesis de nuevos monómeros, disminuyendo el impacto medioambiental de esta industria. La mayor desventaja de este método es que el proceso supone un gran coste de inversión, el uso de productos químicos peligrosos y un gasto demasiado elevado en la limpieza de las fibras que se obtienen del mismo.

• En cuanto a los métodos térmicos, destaca la pirólisis, que consiste en someter a temperaturas relativamente altas a estos materiales, descomponiendo los polímeros y transformándolos en gases y líquidos que pueden ser empleados para la generación de energía. Por otro lado, se obtienen las fibras, que se encuentran recubiertas de un producto sólido carbonoso (char).

La mayores desventajas de este método son, por una lado, el uso extensivo de energía y, por otro, que las fibras obtenidas no presentan buenas propiedades, en gran parte debido a su ensuciamiento con los productos carbonosos derivados del tratamiento térmico.

Existen estrategias mixtas que combinan dos o más tipos de métodos para mejorar el rendimiento y los resultados del proceso, como los procedimientos termoquímicos desarrollados por una spin-off del CSIC, TRC S.L.. En este caso, tras el tratamiento, se recuperan gases y líquidos combustibles y fibras totalmente limpias que mantienen la mayor parte de sus propiedades físicas y, por tanto, pueden ser utilizadas para la fabricación de nuevos materiales compuestos.

Ventajas de la economía circular

Los buenos resultados obtenidos con esta tecnología se reflejan en las propiedades de los nuevos materiales fabricados con las fibras de carbono recicladas. Además, estas son más baratas (15-23 €/kg) que las fibras vírgenes.

Los materiales fabricados con fibras recicladas, por ejemplo mediante la técnica de infusión de resina al vacío, presentan unas propiedades físicas que los hacen adecuados para la fabricación de nuevas piezas de materiales compuestos para diversos sectores, como el del automóvil y el de la fabricación 3D.

Estas propiedades podrán, con una alta probabilidad, mejorarse gracias a los nuevos estudios que se están realizando. La demanda de fibras de carbono crece cada año y las fibras de carbono recicladas resultan materiales altamente competitivos.

En resumen, emplear fibras recicladas, y en algunos casos monómeros, reduce costes y energía y contribuye claramente a favorecer la economía circular de sectores tan importantes como la industria aeronáutica, la energía eólica o la industria del automóvil.

Artículo publicado originalmente en The Conversation