Historia de éxito de un cliente
Pruebas de incendio de fibras de poliacrilonitrilo estabilizado (PAN)
En el futuro, el analizador de índice de oxígeno NETZSCH TAURUS LOI 901 se utilizará en Carbon LabFactory Sajonia para analizar fibras PAN estabilizadas térmicamente -también conocidas como fibras Preox- y para investigar alternativas sostenibles como precursores basados en celulosa o lignina"
Esta es una historia de éxito de un cliente escrita por la Dra. Claudia Vogt, investigadora asociada del Departamento de Estructuras Ligeras y Tecnología de Polímeros de la Universidad Técnica de Chemnitz en el área de investigación de fibra de carbono y tecnologías de procesamiento. La Dra. Vogt informa sobre las investigaciones de las futuras aplicaciones de las fibras Preox utilizando el analizador de índice de oxígeno NETZSCH TAURUS LOI 901. La investigación de las fibras Preox se está convirtiendo en parte integrante de la supervisión de procesos en el centro de investigación que se está creando actualmente en Boxberg, conocido como Carbon LabFactory Saxony. En colaboración con el laboratorio de aplicaciones NETZSCH TAURUS se ha desarrollado con éxito un nuevo portamuestras para muestras de fibras.
“NETZSCH ofrece un excelente servicio de atención al cliente. En mi búsqueda de un portamuestras adecuado para el instrumento de índice de oxígeno limitante LOI 901, observé que los accesorios no incluían un portamuestras de fibra. Tras mi consulta, recibí rápidamente ideas iniciales de NETZSCH para desarrollar un portamuestras personalizado basado en nuestro material de fibra Preox.”
Acerca de la Universidad Politécnica de Chemnitz
La Universidad Politécnica de Ch emnitz (figura 1) es una universidad cosmopolita con sólidas redes regionales, nacionales e internacionales. Alberga a unos 2.300 empleados académicos y administrativos, así como a más de 8.600 estudiantes de unos 90 países. Es, por tanto, la tercera universidad más grande de Sajonia (a partir de 2024).
En cuanto a la proporción de estudiantes extranjeros, la Universidad Politécnica de Chemnitz ocupa una posición destacada entre las universidades estatales de todo el país. Chemnitz, Capital Europea de la Cultura 2025, figura entre las diez mejores ciudades grandes de Alemania para vivir, según un estudio reciente, y presume de una calidad de vida excepcional. La ciudad también tiene una proporción notablemente alta de empleados altamente cualificados, debido en parte a la presencia de la universidad en large. La Universidad Politécnica de Chemnitz es el corazón intelectual de la ciudad y se ha convertido en un centro de investigación de proyección internacional sobre futuros procesos de creación de valor y desarrollo sostenible.
Acerca de Carbon LabFactory Sajonia
El "Carbon LabFactory Saxony" (CLFS) en Boxberg, Alta Lusacia, Alemania, es un proyecto clave dedicado a la investigación y el desarrollo de fibras de carbono a escala de línea piloto. La nueva instalación de investigación se centra en el uso de alternativas sostenibles a los precursores petroquímicos, como el poliacrilonitrilo, utilizando, por ejemplo, celulosa o lignina. Las fibras de carbono se producen en un proceso térmico de varios pasos. El CLFS también tiene en cuenta toda la cadena de valor -desde la materia prima hasta los componentes acabados- y hace especial hincapié en la sostenibilidad de los procesos.
En el centro de la investigación del CLFS está la fabricación de fibras de carbono y su procesamiento, por ejemplo, con ayuda de máquinas textiles que también estarán disponibles in situ. La estabilización y posterior carbonización de precursores como el poliacrilonitrilo, la celulosa o la lignina se lleva a cabo en una planta de carbonización a escala piloto. Esta planta se utiliza para realizar los pasos esenciales del proceso para la producción de fibras de carbono de alta calidad. En primer lugar, el material precursor se trata térmicamente en hornos de estabilización especiales a temperaturas comprendidas entre 150 °C y 300 °C. A continuación, la carbonización se lleva a cabo en una cámara protectora. A continuación, la carbonización se lleva a cabo en una atmósfera de gas protector en dos etapas: en un horno de baja temperatura de hasta 1200°C y, después, en un horno de alta temperatura de hasta 2200°C. El ajuste de los parámetros del proceso permite controlar y optimizar las propiedades de fabricación de las fibras de carbono.
Reciclado y Upcycling
Otro campo de investigación de futuro es el desarrollo de materiales y productos reciclables, incluidas las estrategias de reciclado y upcycling para aumentar la eficiencia de los recursos y minimizar el impacto ambiental. El objetivo es crear ciclos cerrados de materiales, incluida la recuperación de materiales a partir de los residuos de producción.
El CLFS, que se establecerá como una sucursal de la Universidad Tecnológica de Chemnitz en la Alta Lusacia (figura 3), contribuirá de forma significativa a la transformación sostenible de una región gravemente afectada por el cambio estructural provocado por la eliminación progresiva del carbón. La colaboración con el InstitutoFraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros(Fraunhofer IAP) y la Universidad Tecnológica de Brandemburgo Cottbus-Senftenberg (BTU) creará una infraestructura de investigación eficiente que permitirá desarrollar productos ligeros innovadores a partir de nuevos tipos de fibras de carbono. En este empeño, el IAP se centra principalmente en la producción de precursores sostenibles, por ejemplo, a partir de celulosa, y su conversión a escala de laboratorio.
La investigación en Boxberg se centrará especialmente en la escalabilidad industrial de las tecnologías. La escala de planta piloto facilitará la transferencia de los procesos y materiales desarrollados a aplicaciones industriales. Esto requiere una estrecha cooperación entre las instituciones de investigación y los socios industriales para garantizar que las soluciones desarrolladas sean económicamente viables y sostenibles.
Con los planteamientos y oportunidades descritos, el "Carbon LabFactory Saxony" está asumiendo un papel de liderazgo en el desarrollo europeo de fibras de carbono sostenibles. Gracias a su enfoque holístico, que incluye toda la cadena de valor y tiene como objetivo la innovación ecológica, CLFS contribuye a un futuro en el que las fibras de carbono no sólo sean de alto rendimiento, sino también respetuosas con el medio ambiente. De este modo, realiza una importante contribución a los objetivos climáticos europeos y a un futuro neutro en gases de efecto invernadero.
Claudia, preséntese y exponga su área de investigación y aplicación.
Me llamo Claudia Vogt. Soy doctora en química y trabajo como asistente de investigación en el Departamento de Estructuras Ligeras y Procesado de Polímeros (SLK) de la Universidad Tecnológica de Chemnitz desde agosto de 2023, concretamente en el área de investigación de fibras de carbono y tecnologías de procesado.
Actualmente participo en la planificación del laboratorio de la Carbon LabFactory Saxony y más adelante me encargaré principalmente de cuestiones de análisis químico de fibras de carbono, sus etapas intermedias (fibras Preox) o productos finales (por ejemplo, composites, tejidos textiles). La amplia gama de equipos analíticos de que disponemos abarca desde pruebas de retardancia de llama mediante LOI hasta análisis térmicos (por ejemplo, STA, TMA) y la determinación de propiedades superficiales mediante tensiometría. Nuestro equipo trabaja en estrecha colaboración y también mano a mano.
¿Cuánto tiempo lleva colaborando con NETZSCH?
La cátedra SLK lleva muchos años trabajando con NETZSCH. Utilizan habitualmente instrumentos de análisis térmico (TGA, DSC) para resolver problemas en el campo de los polímeros.
¿Por qué ha elegido NETZSCH? ¿Ha experimentado también nuestro servicio de atención al cliente?
Junto con una gran variedad de instrumentos, NETZSCH también ofrece un excelente servicio de atención al cliente. En mi búsqueda de un portamuestras adecuado para el instrumento de índice de oxígeno limitante, observé que los accesorios no incluían un portamuestras de fibra. Tras mi consulta inicial, recibí rápidamente una oferta para desarrollar un portamuestras personalizado basado en el material de la muestra. En muy poco tiempo, recibí las ideas iniciales para este portamuestras del laboratorio de desarrollo NETZSCH.
El portamuestras a medida para NETZSCH LOI 901
Stephan Strickmann, responsable de Ventas y Soluciones de Aplicación para Pruebas de Incendios en NETZSCH, informa:
"Como experto en ensayos de fuego e instrumentos de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, NETZSCH TAURUS está especializada en la fabricación de instrumentos de alta precisión. Entre ellos se encuentra el LOI 901, que se utiliza para evaluar el comportamiento al fuego de los materiales mediante la determinación del índice de oxígeno (LOI = índice de oxígeno limitante) de acuerdo con las normas ISO 4589-2 y ASTM D 2863. La Universidad Tecnológica de Chemnitz se puso en contacto con nosotros para solicitarnos la posibilidad de realizar ensayos específicos de comportamiento al fuego con fibras Preox (figura 5), un material especial. Para adaptarnos a las características únicas de este espécimen, desarrollamos y utilizamos un portamuestras especial para los ensayos. El objetivo era documentar la metodología, el montaje y los resultados de estos ensayos, que aportan datos valiosos sobre el comportamiento al fuego de las fibras Preox a temperatura ambiente."
Las fibras preox presentan un desafío particular en los ensayos de comportamiento al fuego debido a su naturaleza fina y filamentosa. Para garantizar la integridad de la muestra durante el ensayo, se diseñó y fabricó cuidadosamente un portamuestras especial.
Este portamuestras personalizado proporciona una sujeción segura de las fibras Preox, lo que permite realizar mediciones precisas y fiables de su comportamiento ante el fuego para que la prueba se realice con éxito.
Resultados
Durante la prueba, la temperatura ambiente se controló cuidadosamente y se mantuvo a 23 ± 2 °C para garantizar unas condiciones de prueba óptimas. Normalmente, la concentración inicial de oxígeno para la prueba se elige en función de nuestra amplia experiencia con materiales similares. Como en aquel momento teníamos poca experiencia con las fibras Preox, consultamos la bibliografía pertinente y descubrimos que este material tiene un LOI notablemente alto, a menudo superior al 45%.
Para estar seguros, comenzamos las pruebas con una concentración de oxígeno del 40%. No se observó ninguna ignición de las fibras Preox a este nivel. A continuación, aumentamos gradualmente la concentración de oxígeno, controlando cuidadosamente cada paso. Entre el 40% y el 45% de oxígeno, no había llamas visibles, pero la muestra mostraba signos de degradación térmica: se derretía y luego desaparecía, lo que indicaba una conversión significativa sin combustión.
La primera combustión sostenida se produjo a una concentración de oxígeno de alrededor del 60%. A este nivel, la fibra Preox se encendió y ardió uniformemente, lo que confirma su mayor necesidad de oxígeno para la ignición en comparación con otros materiales convencionales. Se están realizando más pruebas para determinar el índice de oxígeno final. Este resultado inicial es coherente con el beneficio reportado de un alto valor LOI, que pone de relieve la resistencia a la combustión en entornos con bajo nivel de oxígeno.
Claudia, cuéntenos más sobre su aplicación específica. ¿Cómo le ayudarán los resultados a mejorar su investigación, control de calidad, desarrollo y producción?
Como ya se ha mencionado, la producción de fibra de carbono es un proceso térmico de varias etapas. La primera etapa, en la que el material precursor se estabiliza térmicamente, es especialmente crucial para el poliacrilonitrilo. Sin este pretratamiento, las fibras de poliacrilonitrilo serían propensas a la degradación bajo altas tensiones térmicas. La compleja transformación estructural de las fibras de PAN en fibras de Preox es, por tanto, un requisito previo para la producción de fibras de carbono a partir de PAN. Este proceso de estabilización térmica puede controlarse mediante varios factores de influencia (por ejemplo, velocidad de calentamiento, perfil de temperatura). El LOI (figura 7) se utiliza para comprobar el grado de estabilización de las fibras Preox. Cuanto mayor sea el LOI de las fibras Preox examinadas, más prometedores serán los parámetros del proceso utilizados. Este método permite ajustar rápidamente los parámetros del proceso durante las campañas de investigación en curso. También sirve como control de calidad constante de la fase intermedia de la fibra de carbono.
Estimada Claudia, muchas gracias por sus comentarios sobre esta investigación pionera. Esperamos recibir pronto más noticias y resultados de investigación del Carbon LabFactory Saxony.
Acerca de NETZSCH LOI 901
Los plásticos presentan ventajas específicas frente a otros materiales como los metales, la cerámica o los materiales naturales, especialmente en las industrias del automóvil, aeroespacial, electrónica y de la construcción, porque son más ligeros, más versátiles, más resistentes a la corrosión y, en función de los requisitos, conductores o aislantes de la electricidad y, a menudo, más rentables.
El comportamiento al fuego de los polímeros utilizados desempeña un papel importante en la evaluación de la seguridad y la aplicabilidad de los componentes y conjuntos. Si un componente de plástico se inflama, la liberación de gases en gran medida tóxicos durante la combustión y la rápida propagación del fuego pueden conducir rápidamente a situaciones peligrosas y potencialmente mortales para las personas y el medio ambiente.
El LOI 901 es un instrumento de alta precisión para determinar el comportamiento en combustión de los polímeros de acuerdo con las normas reconocidas ISO 4589-2 y ASTM D2863. El instrumento está equipado con una cámara de combustión especial y utiliza una atmósfera de oxígeno controlada para determinar el índice de oxígeno, la inflamabilidad de los plásticos, el tiempo de combustión y la distancia de combustión.
