Cañas de grafeno mito o realidad

[THE_FOX]

Para los frikis de la tecnologia:

Ya que últimamente varias personas me habéis preguntado por el tema de si no íbamos a fabricar cañas con grafeno, nanografeno, nanotechnologia etc, me he tomado la libertad ee preguntar a alguien que creo, sabe algo del tema de fabricación de cañas, después de cerca de una quincena de años probando materiales y combinaciones posibles para mejorar sus cañas, Alejandro Viñuales, el que no lo conozca es, además de uno de los mejores lanzadores del mundo el diseñador y artífice de que a dos de hoy Maxia Rods sea una marca de cañas de fabricación en España y conocida en todo el mundo.
Aquí os dejo su opinión, extensa si, pero muy interesante que quizás resuelva muchas dudas.
PD: Alejandro tenía nanografeno en 2011, caducó hace 10 años...

Antes de hablar de las posibilidades del grafeno o de los nanotubos de carbono en compuestos fibra-resina conviene saber qué son estos materiales, y qué cualidades tienen que podrían ayudarnos a hacer mejores cañas.

El grafeno y los nanotubos, al igual que la fibra de carbono, están formados por moléculas de carbono con estructura hexagonal.
En la naturaleza, la presentación habitual del grafeno es en forma de grafito, que en esencia no es otra cosa que una gran cantidad de capas de grafeno apiladas ordenadamente, con una estructura cristalina que hace que la cohesión entre las capas sea muy débil. Cuando escribimos con un lapicero con mina de grafito, la marca que deja en el papel no es otra cosa que partículas de grafeno que se desprenden del grafito. Esta característica del grafito se aprovechó para conseguir por primera vez suficiente cantidad de grafeno para experimentación, utilizando una simple cinta adhesiva para separar la capa externa del resto de las capas de un bloque de grafito y disolviendo posteriormente la cinta adhesiva. Actualmente el grafeno comercial se obtiene con sistemas más complejos, pero también más eficientes. Una capa de grafeno tiene el grosor de un átomo, es prácticamente bidimensional, y si hablamos de nanografeno al menos un lado de la partícula debería tener una longitud menor de 100 nanómetros.

Si imaginamos al grafeno como si fuera la clásica malla de alambre de red hexagonal de un gallinero, los nanotubos de carbono serían la misma malla enrollada formando un fino cilindro hueco. A menudo los nanotubos crecen sobre sí mismos, formando nanotubos de pared múltiple cuyas características mecánicas aún se discute si son mejores o peores que los de pared simple, a los que algunos denominan nanotubos de grafeno.
Un nanotubo tiene un diámetro de, aproximadamente, un nanómetro, una millonésima de milímetro, lo que es alrededor de 5000 veces más fino que la fibra de carbono de última generación, cuyo diámetro está muy cerca de las 5 micras (las primeras fibras de carbono eran algo más gruesas).

La fibra de carbono también está formada por capas de grafeno, o más bien cintas de grafeno. Al contrario que en el grafito estas cintas se agrupan sin orden cristalino, con una estructura turboestrática más o menos completa dependiendo del tipo de fibra. Esto hace que la cohesión de las mallas de grafeno sea mucho mayor en la fibra de carbono que en el grafito, y convierte a la fibra de carbono en el material de refuerzo con el mayor módulo de elasticidad que podemos utilizar actualmente en un compuesto fibra-resina.

La anterior afirmación puede sonar extraña si sabemos que los nanotubos tienen un módulo elástico que al menos duplica el de las fibras de carbono de alto módulo y una resistencia que podría ser hasta diez veces superior (tengamos en cuenta que las características mecánicas de los nanocompuestos de carbono se obtienen normalmente utilizando modelos matemáticos, en la práctica las cifras pueden variar mucho porque las estructuras moleculares no son siempre perfectas). Esto es cierto, el problema es que aún no hay un sistema industrialmente viable para utilizar nanotubos o nanografeno como refuerzo base, como fibra, de un material compuesto que nos permita emplearlo como sustituto de la fibra de carbono.

Cuando se descubrieron los nanotubos, a principios de los 90, imaginé que no tardaríamos mucho en tener fibras de nanotubos, similares de carbono pero mucho más finas, con la que se podrían fabricar cañas más ligeras y resistentes que las actuales. Desgraciadamente, y aunque hace ya diez años que se consiguieron nanotubos de más de medio metro de longitud y actualmente se fabrican hilo de nanotubos con unas cualidades de conductividad eléctrica muy interesantes, la actual fibra de nanotubos agrupados que encontramos en el mercado está muy lejos de conservar las cualidades mecánicas teóricas de un nanotubo aislado. El módulo elástico de estas fibras no llega actualmente ni a la décima parte del de una fibra de carbono HM, alto módulo, estándar.

La obvia alternativa, teóricamente mucho más sencilla, para aprovechar parte de las cualidades mecánicas de estos materiales es su uso como dopantes (aditivos) en las resinas de los compuestos de fibra de carbono. Es decir, no emplear los nanocarbonos como refuerzo del composite sino para mejorar las cualidades mecánicas de la matriz (resina). Esto no es ninguna novedad y se ha hecho muchas veces en el pasado con otros materiales, por ejemplo con nanoesferas de sílice, nanofibríllas (nanowhiskers) o nanopartículas metálicas. En el caso de las cañas de mosca con resultados muy poco concluyentes, más bien desesperanzadores, por mucho que de todos ellos se publicaran numerosos estudios mostrando que en laboratorio era posible alcanzar mejoras significativas.

Y es que el problema de añadir dopantes en la resina es doble:
Por una parte, aunque el papel de la resina en aspectos como la rigidez o la resistencia de la una caña es fundamental, en términos porcentuales es muy bajo. Una gran mejora en el módulo elástico o el módulo de resistencia de la resina supone muy poca mejora en el módulo elástico o el módulo de resistencia del compuesto, menos cuanto más elevado es el módulo de la fibra empleada.
Por otra, incorporar en la resina partículas con características mecánicas extremadamente diferentes a las de la matriz tiene el riesgo de alterar puntualmente, por aglomeraciones, la estabilidad del compuesto. Esto pone muy pronto un límite a la cantidad de dopante que podemos incorporar a la resina sin degradar sus cualidades, y por lo mismo pone muy pronto un límite a las mejoras que podemos conseguir en esas resinas con el sencillo sistema de añadir un dopante.
En el artículo “Recent Developments in Graphene Oxide/Epoxy Carbon Fiber-Reinforced Composites”, publicado en “Frontiers in Materials” hace tres años, podemos leer: “simple mixing of graphene based nanofiller with epoxy is not a viable method for improving matrix properties due to challenges of achieving a homogeneous dispersion”.

¿Significa esto que los nanocarbonos no pueden ayudarnos a mejorar nuestras cañas? En absoluto, significa que aún no se ha podido hacer comercialmente. Nadie produce en este momento una resina epóxica “nanocarbonda” que mejore sin lugar a dudas, en la práctica, las cualidades estructurales que necesita una caña de mosca y que nos ofrecen las más avanzadas resinas sin dopar del mercado. Un simple dato: ningún fabricante de fibra de carbono (Toray, Mitshubitshi, Toyo Tenax y Hexcel), emplea resina con nanografeno o nanotubos para sus prepregs de altas prestaciones.

Cierto que hay algunas pequeñas compañías en países no sospechosos de publicidad engañosa que ofrecen prepreg con nanografeno, que supuestamente mejora sus cualidades mecánicas, por ejemplo Haydale en UK. Podemos descargar en su página los datos de su “prepreg mecánicamente mejorado”, código GA-MEC, que utiliza fibra T800 de Toray y resina nanocargada: resistencia a la tensión 2040,8 MPa; módulo elástico 151,8 GPa. Comparemos con el prepreg estándar de Toray para esa misma fibra: resistencia a la tensión 3290 MPa; módulo elástico 163 GPa. Aunque reconozco que la comparación no es perfecta, porque ambos fabricantes emplean sistemas diferentes de evaluación, resulta obvio que esa gran mejora en las cualidades mecánicas no se refleja en los datos.

En el año 2011, la empresa Antolín puso en marcha en Burgos una factoría de producción de grafeno y nanofibras de carbono. Creo que yo fui uno de los primeros en interesarme por su producto, y conseguí una generosa muestra de nanografeno con la que pude realizar bastantes pruebas. Lo que no conseguí fue encontrar el modo de mejorar mis cañas con este material, al que sí encontré otras aplicaciones. El tiempo empleado en aquellas pruebas me enseñó a ser prudente y distinguir las posibilidades de las realidades.

Lo anterior no significa que no procure estar al día en la tecnología de los composites, o que no siga las más recientes investigaciones en materiales que algún día podrían llegar a nuestras cañas. Por ejemplo el GO, óxido de grafeno (grafeno con átomos de oxígeno y grupos hidroxilo añadidos, que aumentan a la vez su estabilidad y su capacidad para reaccionar y unirse a otros materiales), es muy prometedor y podría ayudar a solucionar el problema de adhesión entre fibra y resina, pero ya no simplemente añadiendo GO a la resina, algo que por sí mismo valdría de poco, sino incorporándolo, por diferentes métodos que aún se están investigando, a la superficie de la fibra de carbono. Esto sí podría mejorar mucho la adhesión entre el refuerzo y la matriz, y podría permitir también que el añadido de nanopartículas en la resina tuviera un efecto mayor en el compuesto. Esto sí podría suponer un salto cualitativo importante en el futuro de los composites, pero aún habrá que esperar algunos años para verlo.

[Caranx]

Te has explayado Giorgio, lo leeré con calma cuando tenga un minuto. Muchas gracias

[membrive]

Interesante, no hay mucha información disponible sobre fabricantes intentando mejorar los materiales actuales más allá de los carbonos con nosecuantos tons y diferentes porcentajes de resinas. Todo un mundo que ignoro, pero que espero que siga avanzando.

Gracias por compartirlo THE_FOX.

[Gines Conesa]

Lo comenté hace tiempo, no recuerdo dónde, pero será el futuro, si no es el presente ahora mismo