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Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Iowa (Estados Unidos) ha desarrollado un proceso para fabricar fibra de carbono de origen biológico a partir de lignina procedente de la industria papelera y una fracción acuosa de bioaceite.
El material obtenido alcanza propiedades mecánicas que superan los valores de referencia establecidos para determinadas aplicaciones en automoción, al tiempo que ofrece una vía para valorizar subproductos industriales de bajo valor comercial.
La investigación está liderada por Xianglan Bai, profesora de Ingeniería Mecánica y directora asociada del Bioeconomy Institute de la universidad. El proyecto ha recibido 2 millones de dólares de financiación de la National Science Foundation (NSF) durante cuatro años para avanzar desde la fabricación experimental por lotes hacia un proceso de producción continua con potencial comercial.
La primera materia prima es la lignina kraft de madera blanda, un polímero natural que aporta resistencia a las paredes celulares de las plantas y se genera como coproducto durante la fabricación de pasta y papel. Aunque contiene una elevada proporción de carbono, su estructura molecular dificulta la obtención de fibras con las propiedades mecánicas necesarias para aplicaciones estructurales exigentes.
El segundo componente es una fracción acuosa de bioaceite obtenido mediante pirólisis rápida de biomasa, un proceso termoquímico que transforma materiales como restos agrícolas y astillas de madera. Esta fracción, de escaso valor comercial, puede utilizarse para modificar determinadas ligninas y facilitar su procesamiento.
El equipo ha desarrollado dos estrategias complementarias. La primera, denominada termomecanoquímica, combina el calentamiento de la lignina con la aplicación controlada de tensión mecánica para modificar su estructura y mejorar las propiedades de la fibra resultante.
La segunda utiliza la fracción acuosa del bioaceite para transformar ligninas difíciles de fundir en precursores adecuados para el hilado por fusión.
Los ensayos experimentales han permitido obtener fibras con una resistencia a tracción de hasta 2,45 GPa y un módulo de tracción de 236 GPa, tras su carbonización a 700 °C. Estas cifras superan los valores de referencia citados por los investigadores para aplicaciones automovilísticas: 1,72 GPa de resistencia a tracción y 172 GPa de módulo.
La temperatura de carbonización es otro aspecto relevante del trabajo. En los experimentos, las mejores propiedades mecánicas se alcanzaron a 700 °C, mientras que las muestras procesadas a temperaturas superiores —800, 900 y 1.000 °C— presentaron resultados inferiores.
Por otra parte, la modificación de la lignina mediante la fracción acuosa del bioaceite ha permitido reducir el tiempo de estabilización de las fibras hiladas de decenas de horas a aproximadamente dos a cuatro horas. Esta etapa constituye uno de los posibles cuellos de botella de la fabricación de fibra de carbono, por lo que su reducción podría contribuir a mejorar la productividad y disminuir los costes del proceso.
La fibra de carbono combina resistencia mecánica y bajo peso, propiedades que favorecen su utilización en automoción, aeronáutica, energía eólica e infraestructuras. Sin embargo, su coste limita su incorporación a aplicaciones de mayor volumen, y buena parte de la producción comercial sigue utilizando precursores de origen fósil.
La utilización de lignina y coproductos de la producción de bioaceite permitiría reducir la dependencia de materias primas fósiles y aumentar el valor añadido de corrientes secundarias industriales. No obstante, los resultados disponibles corresponden principalmente a ensayos de laboratorio y todavía es necesario demostrar que las propiedades obtenidas pueden mantenerse de forma consistente en una producción continua.
Con la financiación de la NSF, el equipo y sus colaboradores industriales trabajarán en el desarrollo de un sistema escalable, la fabricación de materiales para prototipos y la evaluación de su viabilidad técnica y económica.
La transición desde pequeñas partidas experimentales a una fabricación industrial competitiva será determinante para comprobar el potencial de esta tecnología.
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