Composites de polímero reforzados con fibra de basalto mejorados mediante carbonización hidrotermal optimizada e intercalado de polímero presenta una estrategia integrada para mejorar significativamente las propiedades mecánicas y la durabilidad de materiales BFRP combinando una carbonización hidrotermal optimizada de las fibras de basalto con la deposición de una fina capa intermedia polimérica.
Antecedentes y motivación: la fibra de basalto, obtenida de roca volcánica, es una alternativa sostenible y económica frente a las fibras de carbono tradicionales, pero su adopción masiva se ve limitada por una adhesión interfacial deficiente con matrices poliméricas y por la penetración de humedad que degrada el conjunto. Los tratamientos convencionales a menudo emplean agentes químicos agresivos que afectan las propiedades de la fibra y el medio ambiente. La carbonización hidrotermal HTC ofrece una alternativa más verde: modifica la superficie de la fibra hacia una capa carbonosa con funcionalidades reactivas, manteniendo la integridad mecánica. La posterior incorporación de una capa intermedia polimérica actúa como puente entre la superficie carbonizada y la matriz, reduciendo concentraciones de esfuerzo y la degradación por humedad.
Metodología: optimización de HTC e intercalado polimérico. Selección de fibras: se emplean fibras continuas de basalto de alta resistencia con diámetro aproximado de 12 micras. Reactor HTC: se utiliza un autoclave de flujo controlado con regulación precisa de temperatura y presión. Parámetros de proceso: temperatura 200°C a 300°C, tiempos de residencia 10 a 60 minutos y concentraciones alcalinas 0,5 a 2,0 wt% NaOH. Para optimizar se emplea Response Surface Methodology con diseño Box-Behnken, buscando maximizar el grado de carbonización medido por espectroscopía Raman y la reactividad superficial evaluada por XPS. El comportamiento cinético de la carbonización puede describirse mediante la ecuación de Arrhenius k = A e^{-Ea/RT}, donde k es la constante de reacción, A el factor preexponencial, Ea la energía de activación, R la constante de los gases y T la temperatura en Kelvin.
Depósito de la intercapade polimérica: se seleccionó poli(ventil)pirrolidona PVP por su buena adhesión y compatibilidad química con la superficie carbonizada y la matriz epóxica. La deposición se realiza por inmersión de las fibras carbonizadas en una solución acuosa de 5 wt% PVP seguida de secado controlado a 60°C, ajustando el espesor por parámetros de concentración y tiempo. La cinética de secado se modela como proceso de difusión, donde la ley de Fick proporciona un marco teórico que requiere verificación empírica dada la complejidad de las interacciones material-matriz.
Fabricación de los compuestos: como matriz se utiliza resina epóxica DGEBA y la técnica de moldeo empleada es VARTM para laminados BFRP. Se prueban fracciones en peso de fibras tratadas con HTC y PVP intercalado de 0%, 5%, 10% y 15% para evaluar el efecto incremental del tratamiento sobre las propiedades del conjunto.
Caracterización experimental: las probetas se analizan mediante ensayos mecánicos normalizados ASTM D790 y D3039 para flexión y tracción, respectivamente, para determinar resistencia a la flexión, módulo de Young y resistencia a tracción. La absorción de agua se mide según ASTM D570 tras 28 días de inmersión. La resistencia interfacial se cuantifica con ensayos pull-out de fibra única y pruebas de corte interlaminar según ASTM aplicables. El análisis superficial incluye XPS para composición química y SEM para morfología. DMA aporta información sobre la temperatura de transición vítrea y el módulo de almacenamiento, indicadores de estabilidad térmica y rigidez.
Resultados y discusión: la optimización de HTC resultó en un aumento notable del contenido carbonoso superficial y un incremento aproximado del 30% en área superficial específica, lo que favorece la anclaje mecánico y químico con la matriz. La capa PVP mostró buena adhesión tanto a la superficie carbonizada como a la resina epóxica, observada en micrografías SEM. Los laminados con fibras HTC tratadas e intercapas PVP presentaron mejoras consistentes: incremento de hasta 25% en resistencia a la flexión frente a laminados con fibras sin tratar, reducción del 10% en absorción de agua tras 28 días e incremento de alrededor del 35% en resistencia al corte interfacial ISS. Estas ganancias se atribuyen a la sinergia entre la superficie carbonizada, que aporta sitios reactivos y rugosidad para adherencia, y la capa PVP, que actúa como puente flexible que atenúa diferencias térmicas y limita la propagación de fisuras.
Escalabilidad e implementación práctica: la ruta HTC puede escalarse mediante reactores de flujo continuo; la deposición de intercapas es compatible con procesos roll-to-roll para tratamiento de cintas de fibra. La integración en líneas de fabricación BFRP exige modificaciones mínimas y permite adopción a medio plazo (3-5 años) en plantas automatizadas; a largo plazo (5-10 años) podrían implementarse unidades micro-HTC cercanas a operaciones textiles de basalto para reducir logística. Además de la ventaja técnica, la solución presenta potencial económico al ofrecer una alternativa más sostenible y de menor coste relativo frente a compuestos de fibra de carbono.
Conclusiones y trabajo futuro: la combinación optimizada de HTC y intercalado polimérico demuestra ser una estrategia efectiva para elevar el rendimiento y la durabilidad de los composites de fibra de basalto. Las líneas futuras de investigación incluyen la exploración de intercapas poliméricas alternativas con propiedades funcionales mejoradas, estudios extendidos de durabilidad a largo plazo bajo ciclos térmicos e higrómétricos, automatización completa del proceso integrado HTC-intercalado y el uso de modelado computacional avanzado para optimizar el diseño y reducir tiempos de ensayo.
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