espumas de carbono y grafito

Generalmente, el término “espuma” se utiliza para designar materiales porosos de baja densidad consistentes en dispersiones de burbujas de gas en un material, pudiendo ser dicho material líquido o sólido. Las espumas se clasifican como espumas de celdas cerradas o espumas de celdas abiertas. Las espumas de celdas cerradas se caracterizan principalmente por tener volúmenes de poro sellados de los que el gas atrapado no puede escapar fácilmente. Es un ejemplo común de una espuma de celda cerrada el poliestireno. En contraposición, las espumas de celdas abiertas se caracterizan principalmente por tener volúmenes de poro que no están sellados, y que a menudo están interconectados, y de los que el gas atrapado puede escapar o reentrar.

Tradicionalmente, las espumas de carbono se han venido obteniendo mediante la carbonización de sustancias poliméricas para obtener un esqueleto reticular carbonoso, en ocasiones, utilizando moldes o soportes de distinta naturaleza. Sin embargo, a partir de los años 1990's también se han venido usando como precursores de estas espumas de carbón el carbón mineral y las breas de mesofase.

Sus propiedades pueden variar dentro de un rango relativamente amplio, como consecuencia del precursor utilizado y de la metodología de producción empleada. En general, las espumas de carbono destacan por poseer:

Algunos ejemplos de aplicaciones de espumas de carbono: a) Tubo con núcleo de espuma de carbono para absorción de energía de impacto (parachoques), b) Pieza para aislamiento térmico, c) Soporte con altas resistencias mecánica y térmica.

Tales propiedades les convierten en una alternativa de gran relevancia a las fibras de carbono utilizadas en los materiales compuestos. Las propiedades de estos últimos, en la mayor parte de los casos, se limitan a la dirección de las fibras, siendo óptimas típicamente sólo en una o dos direcciones. Una espuma de carbono puede considerarse, en cambio, como una red de filamentos carbonosos que traslada las extraordinarias propiedades lineales de las fibras de carbono a un ámbito tridimensional. Es decir, que se pueden obtener con ellas, materiales tridimensionales de propiedades similares a las de un material compuesto tridimensional de fibras de carbono, pero obtenido a un coste considerablemente menor. La búsqueda de materiales para aplicaciones que requieren altas conductividad térmica y rigidez, contempla las espumas de carbono como materiales muy interesantes, ya que a tales propiedades suman su baja densidad. Las espumas de carbono tienen aplicaciones en la industria espacial y aeroespacial, también se utilizan como aislantes térmicos, amortiguadores de impactos, soporte de catalizadores, filtros y un largo etcétera. Por otro lado, las dimensiones de los poros de estos materiales suelen ser, generalmente, demasiado grandes para algunas aplicaciones químicas, pero resultan muy interesantes para fabricar electrodos para súper-condensadores, en los cuales son necesarios materiales carbonosos ultramesoporosos con poros bien interconectados, de tamaños comprendidos entre 10 y 50 nm, combinados con una estructura microporosa.

En los años 1990s, surgió una nueva generación de espumas de carbono basada en la utilización de precursores alternativos como las breas y el carbón. Para producir espumas de carbono de altas rigidez y conductividad térmica, las breas han sido consideradas como los precursores más apropiados, debido a que proporcionan una estructura grafítica con alto grado de alineación, que es un requerimiento ineludible para conseguir una alta conductividad. En cuanto a la utilización de carbones minerales como precursores de espumas de carbono, es posible utilizar carbones bituminosos de baja calidad desde el punto de vista de otras aplicaciones como la combustión o la coquización. Al mismo tiempo, las espumas obtenidas presentan propiedades físicas que las hacen perfectamente válidas para numerosas aplicaciones, con la ventaja añadida de un coste de fabricación considerablemente menor. Por todas estas razones, los carbones minerales constituyen precursores muy atractivos.

Fotografías de microscopio electrónico de barrido (SEM) de una espuma de carbono obtenida a partir de un carbón bituminoso.