El potencial aún prometido de los compuestos de fibra de basalto

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Si se extrae roca formada originalmente a partir del rápido enfriamiento de lava rica en magnesio y hierro, y se encuentra una forma de producir fibras a partir de esta roca, no es de extrañar que la fibra presente excelentes propiedades de aislamiento térmico y resistencia al fuego, así como temperaturas de servicio muy altas. Estas propiedades clave han hecho de la fibra de basalto un material estándar para productos de aislamiento en aplicaciones de alta temperatura, como el revestimiento de hornos industriales y cuerdas ignífugas. El fabricante de fibras de basalto Kamenny Vek (Dubna, Rusia), por ejemplo, suministra una gran cantidad de su producto a la industria automotriz estadounidense para el aislamiento de sistemas de escape, y también a los productores de materiales resistentes al calor para aplicaciones industriales.

Además de sus propiedades térmicas, la combinación de resistencia, resistencia al impacto e inercia química de la fibra de basalto también la han convertido en un candidato atractivo para aplicaciones de compuestos. Así que la pregunta sigue en pie: ¿Cuándo gozarán de una penetración significativa en el mercado los compuestos de polímeros reforzados con fibras de basalto (BFRP)?

El chiste interno, informa James Streetman, gerente de Advanced Filament Technologies (Houston, Texas, EE.UU.), es que las aplicaciones de BFRP "han estado a cinco años de un gran avance en los últimos 15 años" Advanced Filament Technologies ofrece la fibra de basalto de marca registrada Sudaglass, originalmente fabricada en Sudogda, Rusia, y ahora producida por GBF Basalt Fiber Co. (Zhejiang, China). Bromas aparte, un optimismo cauteloso puede describir mejor el estado de ánimo de Streetman y, en general, el estado de ánimo de muchas de las partes interesadas en el BFRP. Por ejemplo, Nick Gencarelle, director de Smarter Building Systems (Newport, R.I., EE.UU.), describe el mercado de BFRP como "muy lento, plano - pero en los últimos dos años, las cosas han empezado a abrirse un poco. Los ingenieros estructurales están empezando a entender mejor la necesidad de BFRP"

Una clara señal de que el BFRP podría estar listo para crecer es la reciente inversión de 20 millones de dólares para construir la primera planta de producción de fibra de basalto en los Estados Unidos. El recién llegado Mafic (Kells, County Meath, Irlanda) está construyendo las instalaciones en Shelby, Carolina del Norte, y espera "entrar en calor" en el tercer trimestre de 2019, informa Jeffrey Thompson, gerente de marketing de Mafic.

Parece que el atractivo de las características de rendimiento de la fibra de basalto y el potencial de una considerable penetración en el mercado del BFRP son fuertes. Como resultado, los fabricantes de fibras de basalto continúan persiguiendo este mercado resueltamente y están resolviendo los problemas técnicos y de mercado que hasta ahora han impedido que ocurra el gran avance.

La noción de crear fibra a partir de basalto no es nueva; la primera patente para la fabricación de fibra de basalto fue emitida en 1923, y la aplicación al hardware militar fue ampliamente investigada en las décadas de 1950 y 1960. Incluso los principales productores de fibra de vidrio exploraron el potencial del basalto, aunque abandonaron este enfoque en la década de 1970 para concentrar sus esfuerzos de investigación y desarrollo en la fibra de vidrio de mejor rendimiento, incluido el vidrio S-2. Mientras que el interés en el desarrollo de compuestos reforzados con fibras de basalto ha aumentado y disminuido a lo largo de estas décadas, ha persistido y crecido en los últimos años.

Un informe de MarketsandMarkets Research (Pune, India) de junio de 2015 estimó que el crecimiento general a corto plazo en el mercado de la fibra de basalto, incluyendo las aplicaciones compuestas y no compuestas, es sustancial. Según el informe, el mercado mundial de fibra de basalto en 2020 alcanzará los 200 millones de dólares, con una tasa de crecimiento compuesto anual (CAGR) del 13,1 por ciento entre 2015 y 2020. "Estamos en el proceso de actualizar nuestro estudio existente sobre el mercado de la fibra de basalto", dice Pankaj Kumar Tiwari, gerente asociado de MarketsandMarkets, "ya que hemos sido testigos de cambios significativos en este mercado en 2018" Como contribuyentes al cambio del mercado, cita el creciente uso de la fibra de basalto en compuestos híbridos, una creciente demanda del mercado automotriz y el atractivo de la reciclabilidad del basalto combinado con su fuerza (que se dice que es mayor que la del vidrio E). Tiwari también menciona dos eventos específicos. En 2018, Owens Corning (Toledo, Ohio, EE.UU.) adquirió Paroc Group (Helsinki, Finlandia), fabricante de fibras aislantes de basalto; además, Mafic y Michelman (Cincinnati, Ohio, EE.UU.) anunciaron una asociación centrada en compuestos de fibras de basalto.

Las propiedades térmicas de la fibra de basalto son de interés más allá de las aplicaciones de aislamiento no compuesto. Las oportunidades de BFRP se abren en aplicaciones que requieren temperaturas de servicio altas y/o amplias. Otra propiedad, la resistencia al impacto, diferencia significativamente la fibra de basalto del vidrio y el carbono. Un estudio preliminar realizado por el Aachen Center for Integrative Lightweight Construction y el Institut für Textiltechnik der RWTH (Aachen, Alemania), por ejemplo, demostró una capacidad de absorción de energía específica aproximadamente un 35 por ciento mayor de un tejido híbrido de basalto (HYWF) con resina de poliamida 6 en comparación con la resina de vidrio HYWF/poliamida 6, y un 17 por ciento mayor en comparación con la de carbono HYWF/poliamida 6.

Los óxidos de hierro y aluminio de la roca de basalto crean otras características favorables. Por ejemplo, la fibra de basalto proporciona una mejor resistencia a la corrosión y al fuego que la que proporciona el vidrio E. Además, un estudio reciente realizado por Mafic en colaboración con el Fraunhofer Project Center (Londres, Ontario, Canadá) confirmó un módulo de tracción, una resistencia a la tracción y una resistencia al cizallamiento interlaminar más elevadas, una resistencia específica un 40 por ciento mayor y una rigidez específica un 20 por ciento mayor para los paneles de prueba de fibra de basalto/epoxi, en comparación con los paneles de vidrio E/epoxi fabricados con la misma resina y proceso de fabricación. Kamenny Vek informa de resultados similares.

La fibra de basalto se caracteriza por su baja absorción de agua, importante en aplicaciones de construcción y tuberías. La fibra de basalto es eléctricamente no conductora. Como material natural, también es inherentemente más reciclable que otras fibras de refuerzo, un factor que la industria automotriz y otras industrias toman en consideración. En resumen, Gencarelle se refiere a la fibra de basalto como "más magra, más verde y más mala" y más resistente a los impactos que otras opciones de refuerzo. Estas características apuntan a un punto dulce para los BFRPs en la ventana de rendimiento entre los compuestos de fibra de vidrio E y de carbono. Tal y como Thompson lo expresa: "Nos encontramos llenando la brecha de costes y rendimiento entre la fibra de carbono y la de vidrio. Ese segmento de mercado ha estado hambriento de un producto para llenar ese espacio"

Un cambio de fibra de carbono a basalto es, según se informa, un caso de negocio más fácil de hacer que un cambio de vidrio E a basalto, pero ambos casos pueden hacerse. En lo que respecta a la fibra de carbono, el ahorro de costes suele ser la principal justificación para cambiar a BFRP; aplicaciones para las que los requisitos de rendimiento de la fibra de carbono pueden cumplirse en el punto de rendimiento de coste ofrecido por el basalto. También son importantes en algunas aplicaciones los diferentes modos de fallo del carbono y del basalto. Mientras que la fibra de carbono, cuando se daña, tiende a "romperse" catastróficamente y a veces en más de un lugar, la fibra de basalto experimenta lo que podría caracterizarse como un modo de fallo más suave. Streetman ilustra: "Cuando una prótesis de carbono falla, el usuario se cae; con una prótesis de basalto, el usuario se sienta."

Aunque el costo relativo de la fibra de basalto ha disminuido a medida que los métodos de producción se han vuelto más eficientes, sigue siendo más caro que el vidrio E -hasta el doble del precio en aplicaciones de gran volumen-, por lo que para que una aplicación absorba este aumento de costos, debe ser contrarrestado adecuadamente por mejoras en las características de rendimiento críticas para la aplicación. Las características que pueden entrar en juego incluyen un mayor rendimiento mecánico, como la rigidez y la resistencia, la resistencia al impacto, los productos químicos, la corrosión y el agua, así como una diferencia en el modo de fallo en comparación con el vidrio, que tiende a astillarse más que el basalto.

El método básico de fabricación de la fibra de basalto es bastante sencillo: Al igual que la producción de fibra de vidrio, la fibra de basalto se extrude en filamentos de la materia prima derretida, en este caso rocas de basalto extraídas. La eficiencia del material para la fibra de basalto se ve incrementada por el hecho de que no se necesitan materiales secundarios para crear la fibra, o como dice Gencarelle, "Una libra de roca se convierte en una libra de fibra" El punto de fusión para el basalto de 1.500°C también es comparable al vidrio, para el cual el punto de fusión oscila entre 1.400 y 1.600°C. Debido a que el basalto es opaco, es más difícil calentar uniformemente que el vidrio, y esto ha creado la necesidad de mejoras en la producción, como mantener el producto fundido en un depósito durante un período prolongado, la inmersión de los electrodos en el baño, o un esquema de calentamiento de dos etapas. Estos avances se han hecho y son tecnología bien establecida en las plantas de fibra de basalto.

El hecho de que la materia prima para la fibra de basalto esté presente de forma natural, nos lleva a un gran obstáculo técnico: las propiedades inconsistentes de la materia prima. Es decir, la roca extraída de diferentes lugares varía en las cantidades específicas de hierro, magnesio y otros constituyentes. Los parámetros clave han variado hasta en un 10 por ciento. Señalando que la fibra de vidrio ha enfrentado el mismo reto en cuanto a la variación de la materia prima, Streetman informa: "Hemos estado avanzando en la provisión de un producto estandarizado"

En años pasados, la variación en las propiedades de la fibra de basalto sirvió como un revés para las aplicaciones potenciales. "Cuando se ha demostrado que el basalto es la mejor fibra para la aplicación", explica Thompson, "la incapacidad del cliente para confiar en la disponibilidad, calidad y consistencia del material significaba que la aplicación no se comercializaría en ese momento" Al superar esta variación, "la materia prima es a la vez el aspecto más importante y el menos importante de nuestro proceso", declara Thompson. "Una vez que has identificado una fuente consistente, ya no es un problema." Mafic utiliza una fuente europea para sus instalaciones en Irlanda. Utilizará esta misma fuente cuando comience la producción en los Estados Unidos, pero la compañía también está apuntando a una fuente no revelada en los Estados Unidos para el suministro futuro a la planta de los Estados Unidos. Todos los fabricantes de fibra seleccionan cuidadosamente el mineral de origen y lo pre-califican, y esto, junto con las mejoras en el proceso de producción, ha resultado en una mayor consistencia.

Históricamente, la fabricación de fibra de basalto ha sido controlada manualmente, pero los fabricantes de fibra están mejorando la calidad y consistencia de sus productos con la adición de controles automatizados. Gencarelle informa que la fábrica de fibra de basalto a la que representa tiene la certificación ISO 9000. "Hacen hincapié en el control de calidad desde las materias primas hasta el final del proceso", señala. Cree que el límite inferior de variación es de alrededor del 3 por ciento, lo que, ciertamente, puede ser demasiado alto para las aplicaciones estructurales aeroespaciales. Pero abundan otras oportunidades de mercado, incluyendo aplicaciones en las industrias de artículos deportivos, prótesis, criogenia y energía.

En términos de mercado, los fabricantes de fibras de basalto informan que el mayor obstáculo hoy en día es la reglamentación. "Muchas áreas de la industria de la construcción", explica Streetman, "sólo pueden usar materiales que hayan sido aceptados en el código" Menciona al Departamento de Transporte de la Florida como un organismo que ha estado "más adelantado" y que se está acercando a los estándares para la aceptación de los compuestos de basalto. Gencarelle también señala que el American Concrete Institute ha reconocido que la barra de refuerzo de basalto cumple con los requisitos del instituto para aplicaciones de barras de refuerzo. Aún así, queda trabajo por hacer antes de que la construcción y otras industrias logren una aceptación generalizada del código para los compuestos de basalto.

Finalmente, y quizás lo más importante, los productores de fibra de basalto se encuentran en un mercado "Catch-22", especialmente con respecto a las aplicaciones actuales del vidrio E. El gran volumen de muchas de estas aplicaciones significa que el uso actual de fibra es mayor que la capacidad actual que las instalaciones de fabricación de fibra de basalto podrían comenzar a cumplir. Incluso si la fibra de basalto es técnicamente la más adecuada para una aplicación, los fabricantes de materiales compuestos no quieren comprometerse con un diseño de BFRP a menos que sepan que pueden obtener suficiente producto. Por el contrario, dado que se tarda de dos a cuatro años en poner en marcha una gran planta de fibra de basalto, los inversores quieren garantías de que la demanda del mercado estará allí cuando la planta entre en funcionamiento.

Si los proveedores de fibra de basalto pueden apuntar a una aplicación que presagia un crecimiento particularmente bueno para el crecimiento del BFRP, sería la barra corrugada. Al igual que la barra de refuerzo de fibra de vidrio, la barra de refuerzo de basalto es considerablemente más ligera que la barra de refuerzo de acero convencional, "más de un 70 por ciento más ligera, de hecho", dice Gencarelle. "Una persona puede levantar fácilmente una bobina de 100 metros de barras de basalto de 10 milímetros." Las ventajas sobre las barras de refuerzo de vidrio incluyen la resistencia natural del basalto a la oxidación y a los líquidos y productos químicos corrosivos, continúa. Esto lo hace muy adecuado para aplicaciones marinas, plantas químicas y otros entornos potencialmente corrosivos. "Además, la penetración de humedad del concreto no se desgasta, por lo que no necesita un recubrimiento especial como las varillas de fibra de vidrio", agrega. Gencarelle también destaca la coincidencia entre el coeficiente de expansión térmica de las barras de basalto y el coeficiente de expansión térmica del hormigón. El hecho de que no sea conductor hace que la barra de basalto sea una buena opción para edificios que albergan resonancias magnéticas u operaciones que requieren una gran cantidad de datos.

Gencarelle informa que se está trabajando para traer fábricas de pultrusión de barras de refuerzo de basalto a los Estados Unidos, señalando que tal medida ayudaría a aumentar la participación de mercado del basalto al evitar los aranceles y permitir que estas fábricas compitan por proyectos que especifiquen barras de refuerzo fabricadas en los Estados Unidos.

Continúa el trabajo en el frente normativo. La barra de refuerzo de basalto está incluida en los códigos de construcción nacionales y es ampliamente utilizada en la industria de la construcción de países como Rusia, Ucrania y China. "En otros países, como Estados Unidos, Canadá, el Reino Unido, Italia y Polonia, la barra de refuerzo de basalto se utiliza ampliamente en aplicaciones en las que no se requiere certificación, como piscinas y senderos de jardín", dice Oleg Kuzyakin, director comercial de Kamenny Vek. En estos países se están llevando a cabo importantes esfuerzos de certificación de barras de basalto. "En algunos países europeos como Alemania y Francia, este proceso es más caro, largo y complicado que en otros", añade Kuzyakin, "pero también vemos un creciente interés en las barras de basalto en estos países"

Una actividad más esporádica caracteriza a otras aplicaciones y segmentos de mercado. Streetman señala, por ejemplo, que las compañías automotrices han empleado paneles de BFRP que consisten en fibra picada y matriz termoplástica para mejorar la resistencia al impacto y a la corrosión. Estos programas han llegado a su fin, sin embargo, y Streetman no está al tanto de ningún trabajo actual de BFRP en aplicaciones de producción automotriz. Kuzyakin confirma: "Los clientes quieren utilizar nuestra fibra para la producción de diferentes tipos de paneles para camiones y en piezas de automóviles hechas con polipropileno o resina de poliamida, pero estos no son proyectos comerciales todavía"

En India, Rusia y Corea, la fibra de basalto picada Kamenny Vek se utiliza para fabricar pastillas de freno. La compañía también informa que una cantidad significativa de su fibra se utiliza en cilindros de gas natural comprimido (GNC) para autobuses y camiones, así como para aplicaciones residenciales.

Otro campo de aplicación en crecimiento es el de los tubos compuestos. Wavin Ekoplastik (Kostelec nad Labem, República Checa) ha desarrollado un tubo de polipropileno (PP) con una capa reforzada con fibra de basalto que presenta una mejora de hasta un 50 por ciento en la resistencia a la presión a altas temperaturas y una mejora del 20 por ciento en la tasa de flujo en comparación con el tubo de fibra de vidrio/PP de la línea base.

El socio australiano de Kamenny Vek, Basalt Fiber Tech (Melbourne, Australia), suministra tejidos de basalto para aplicaciones marinas, y numerosas aplicaciones de artículos deportivos también utilizan la fibra de la empresa, aunque Kuzyakin señala que actualmente no se trata de mercados de gran volumen. "De mayor potencial en términos de volumen son las aplicaciones de la energía eólica", informa Kuzyakin. "El viento es una de las aplicaciones más destacadas. Consideramos que es estratégicamente importante pero a largo plazo debido a los largos, complicados y costosos procedimientos de certificación y calificación"

Las prótesis y los aparatos ortopédicos, como se mencionó anteriormente, se benefician del mayor "give" de la fibra de basalto Una historia de CW de noviembre de 2018 reportó una de estas aplicaciones por Coyote Designs (Boise, Idaho, EE.UU.). Algunos de los clientes de la compañía encontraron que los compuestos de polímero de fibra de carbono eran incómodamente rígidos, y que las prótesis sufrían de una alta tasa de fallas por agrietamiento. Interesantemente, otro factor que hizo atractivo el cambio al basalto fue que, a diferencia de la fabricación con fibra de basalto, la fabricación con máscaras de fibra de carbono, equipo de protección y sistemas de recolección de polvo para la salud y la seguridad. El BFRP mejoró las propiedades de flexión de la prótesis y redujo significativamente la tasa de fracaso.

En los artículos deportivos, a menudo se utiliza un diseño híbrido de carbono-basalto para obtener las ventajas de cada tipo de fibra. La revista digital Basalt Today está repleta de ejemplos, incluyendo las raquetas de bádminton Wilson (Chicago, Illinois, EE.UU.), las tablas de snowboard Niche (Holladay, Utah, EE.UU.) y las palas de kayak Nimbus (Heriot Bay, B.C., Canadá).

Aunque aún no se ha materializado un avance sustancial de la BFRP, parece que se están produciendo avances en todos los frentes necesarios: eficiencia y capacidad de fabricación, presencia global, diseño y desarrollo de productos y actividad reguladora. "Creemos que hoy estamos en un lugar fantástico", declara Thompson, "y nuestros clientes nos han estado demostrando que ellos también lo creen, por su nivel de inversión y su deseo de ver nuestras instalaciones en Estados Unidos en línea"

El punto de inflexión en la relación calidad-precio