El concepto de fibra, omnipresente en la Naturaleza, es conocido por ser un conjunto de células de gran resistencia mecánica que funciona como un instrumento vital para el funcionamiento del cuerpo de las plantas y las especies. No es de extrañar que, gracias a la capacidad del ser humano de imitar a la Naturaleza, hoy en día, el campo de las fibras se haya extendido a las industrias ligeras y pesadas, a las telecomunicaciones, a la medicina y a muchas otras áreas más.
Además, la continua expansión de este ámbito se acerca ahora al sector del almacenamiento de energía térmica como uno de los elementos clave para la descarbonización de la economía mundial.
Los métodos de encapsulación de materiales de cambio de fase en fibras están atrayendo una gran atención por parte de los investigadores. Los llamados PCMs permiten el almacenamiento de grandes cantidades de energía térmica gracias a los procesos de cambio de fase (de sólido a sólido o de sólido a líquido) que ocurren a una temperatura constante. Estos, en combinación con las fibras, tienen una gran aplicabilidad para la producción de textiles con tecnologías de regulación térmica, almacenamiento de energía térmica y protección térmica.
En el caso concreto de las fibras, una ventaja importante es que pueden ser manipuladas mediante procesos convencionales y muy desarrollados, como la tejeduría, el tricotado, etc., lo que favorece su pronta producción a escala industrial y su acercamiento al mercado mediante su consiguiente comercialización.
Sistemas de producción de fibras con capacidad de almacenamiento de energía térmica
Actualmente, los investigadores han emprendido varios enfoques para la producción de fibras con capacidad de almacenamiento de energía térmica:
El primero de ellos es la incorporación de materiales de cambio de fase encapsulados en fibras tradicionales ya disponibles en el mercado. Se trata de un método en dos fases centrado principalmente en la creación de tejidos con regulación térmica. Requiere producir primero el material de cambio de fase encapsulado y, posteriormente, unirlo a las fibras comerciales mediante, por ejemplo, un método de curado en seco u otras técnicas.
Los principales inconvenientes de este método son la limitación en cuanto a la carga máxima del material de cambio de fase y la fuerte reducción de la capacidad de almacenamiento térmico debido a las condiciones de desgaste con el paso del tiempo (aclarado, lavado o abrasión).
Por esta razón, los investigadores han ideado otro enfoque para la encapsulación del material de cambio de fase en las fibras que se basa en la elongación de flujos coaxiales bajo un campo eléctrico, conocido como co-electrospinning. Este método de producción de fibras utiliza la fuerza eléctrica para estirar hilos de soluciones poliméricas o polímeros fundidos hasta alcanzar diámetros de fibra del orden de unos cientos de nanómetros.
A pesar de la gran capacidad de almacenamiento que puede lograrse con este método, la baja velocidad de producción, el requisito de una fuente de alto voltaje (de 10 a 20 kV) y el limitado rango posible de diámetro de las fibras son importantes inconvenientes.
En un tercer enfoque se enecuentran hilado y el soplado en estado fundido, que son dos métodos similares para producir fibras y fibras con PCM. El primero utiliza la fuerza mecánica para formar y alargar la fibra a partir de una masa fundida, mientras que el segundo extruye la masa fundida de polímero a través de pequeñas boquillas mediante la fuerza cinética de un flujo de gas. La ventaja de estos métodos es su simplicidad y la ausencia de disolventes, mientras que la desventaja es su aplicabilidad, que se limita a las fibras termoplásticas.
Por último, los principios de la microfluídica se han aplicado recientemente para la producción de fibras. En esta técnica, se utilizan configuraciones de flujos focalizados o coaxiales para manipular, dar forma y controlar las dimensiones de las fibras con gran precisión. El material precursor de fibras, disuelto en un disolvente adecuado entra en contacto con un fluido secundario que inicia la formación de la pared de la fibra debido al proceso de extracción del disolvente. Este método proporciona un amplio control de las dimensiones de las fibras. También puede utilizarse para fibras huecas o fibras que contengan material de cambio de fase. A pesar de que este método tiene un alto potencial de escalabilidad, requiere la producción de chips para microfluídica y bombas capaces de controlar con precisión los caudales durante el proceso de producción.
ThermLab by CIC energiGUNE
En el marco de ThermLab, CIC energiGUNE ha puesto en marcha las investigaciones destinadas a la aplicación de los principios de la microfluídica para la producción de fibras que se aplicarán en el campo del almacenamiento de energía térmica y el control térmico. En particular, se ha desarrollado un método significativamente simplificado (sin chip) para crear fibras poliméricas flexibles huecas o que contengan material de cambio de fase. La formación de la fibra es guiada por la gravedad, y el banco experimental es tan simple como un capilar de vidrio conectado a una bomba de jeringa y un vaso de vidrio (ver el esquema).
