Uno de los centros de investigación más modernos de AIST en Tsukuba, Japón (Foto: OMPI/Asher)
Antecedentes
A finales de los años 50, la fibra de carbono de poliacrilonitrilo (PAN), un material constituido por filamentos acrílicos sumamente finos compuestos principalmente de átomos de carbono, fue desarrollado en el antiguo Instituto de Investigaciones Industriales del Gobierno del Japón, en Osaka (GIRIO), que era la oficina regional de Kansai (región centroccidental del Japón) del Organismo de Ciencia y Tecnología Industrial (AIST). Aunque el instituto ya no se denomina GIRIO (en 2001 pasó a llamarse AIST Kansai), formaba parte de una organización de investigación japonesa que ha contribuido al progreso tecnológico del Japón desde 1876.
GIRIO era – y sigue siendo, con el nombre de AIST Kansai – el segundo centro de investigación del país. Establecido en 1920 como institución de investigación estatal, GIRIO tenía como misión ofrecer orientación técnica a diversos sectores en la región de Kansai, en especial a las pequeñas y medianas empresas (pymes). La labor de investigación inicial de GIRIO se centraba en el sector textil y, por lo tanto, el desarrollo de la fibra de carbono resultó de particular interés para la organización. Todos los trabajos de investigación de GIRIO tenían por objeto fundamental fabricar productos que permitieran ofrecer una mayor calidad de vida y asegurar la mayor seguridad posible a la población.
Investigación y desarrollo
El origen de la fibra de carbono (polímeros de grafito, que son una forma pura de carbono en la que los átomos de carbono están dispuestos en láminas de anillos hexagonales) se remonta a finales del siglo XIX, cuando Thomas Edison carbonizó fibras de bambú para utilizarlas como filamento en las bombillas eléctricas incandescentes, moldeándolas y sometiéndolas a altas temperaturas. El uso de estos primeros filamentos resultaba muy poco eficiente, a diferencia del de los de tungsteno, material que pronto reemplazó al carbono en las bombillas eléctricas.
No se prestó mucha atención a la investigación y desarrollo de la fibra de carbono hasta los años cincuenta, cuando una empresa que fabricaba filamentos para lámparas eléctricas de los Estados Unidos, Union Carbide Corporation (UCC), comenzó a investigar la manera de reemplazar el tungsteno en las bombillas y en los tubos de vacío, poco antes del fin de la Segunda Guerra Mundial. Aunque UCC logró desarrollar una forma de carbono moldeado, viable comercialmente, se consideraba que el carbono en forma de fibra era prácticamente imposible de fabricar, debido a la inextricable dificultad que entrañaba la fabricación de fibras de grafito. Todo esto cambió en 1956, cuando UCC comenzó a utilizar el rayón (un polímero obtenido artificialmente a base de celulosa, como el algodón, que se utilizó ampliamente para la confección de prendas de vestir) como insumo básico para la fibra de carbono. En 1958, el Dr. Roger Bacon, científico en la empresa UCC, descubrió los “triquitos de grafito” en los filamentos de rayón que podían transformarse en fibras de carbono, lo que marcó el comienzo del moderno proceso de fabricación de la fibra de carbono.
Mientras avanzaba la investigación sobre el rayón en los EE.UU., del otro lado del Océano Pacífico había investigadores que estaban estableciendo su propia industria de fibra de carbono basada en el poliacrilonitrilo (PAN), un polímero sintético que se usaba poco en aplicaciones comerciales. En vista de que el PAN era un polímero difícil de utilizar, los investigadores estadounidenses lo abandonaron después de varias infructuosas tentativas de crear una fibra de alto módulo con ese material. En el Japón, los investigadores de GIRIO consideraron que la investigación que los estadounidenses habían abandonado tenía potencial y que merecía la pena proseguirla. Desde la creación de la empresa GIRIO, el carbono había sido uno de los pilares de sus actividades de I+D. Poco después de la Segunda Guerra Mundial, sus actividades de I+D se centraron en las posibles mejoras que se podían realizar, como el aumento de la densidad de los productos de carbono y la producción de materiales de carbono para los reactores nucleares. En 1952, el Dr. Akio Shindo se incorporó en GIRIO, asignándosele la división de I+D sobre el carbono.
Si bien en aquella época el Dr. Shindo dudaba de que su investigación desembocara en alguna aplicación industrial, su objetivo era tratar de crear productos que fueran útiles para la sociedad. En abril de 1959, después de trabajar siete años en la división de I+D sobre el carbono en GIRIO, el Dr. Shindo leía el “Machine Design”, un diario industrial japonés en busca de información nueva y útil para sus trabajos de investigación, cuando un artículo le llamó la atención. El artículo describía el desarrollo de la fibra de carbono obtenida con rayón por la empresa estadounidense National Carbon Company of the United States (National Carbon). Sintiendo curiosidad por el potencial que entrañaba este material, se propuso encontrarle un uso futuro.
El Dr. Shindo comenzó sus trabajos de investigación en mayo de 1959, solo un mes después de haber leído el artículo sobre la fibra de carbono obtenida a partir del rayón. Aunque las primeras actividades de I+D no tenían un objetivo definido, no tomó mucho tiempo al Dr. Shindo descubrir las ventajas de la fibra de carbono obtenida a partir de PAN. Las excelentes propiedades químicas y de resistencia al calor del nuevo material, así como su carácter no corrosivo permitían que pudiera utilizarse como material ignífugo y de filtrado para gases en altas temperaturas, y para varios ácidos y álcalis. Se dio cuenta también de que, además de su fuerte conductividad eléctrica, el material podía utilizarse como radiador infrarrojo o filamento de tubo de vacío. El carácter fibroso y flexible del material también favorecía su uso en números equipos eléctricos.
La fibra de carbono puede utilizarse para crear muchos objetos tridimensionales, como las bicicletas de alto rendimiento (Foto: Steven Benes)
Clasificados inicialmente como trabajos de I+D “corrientes” y disponiendo, por lo tanto, de fondos limitados, el proyecto de investigación fue reclasificado, a unos cuantos meses de su comienzo, como “especial”, debido a los prometedores resultados preliminares alcanzados. Esto le permitió contar con la financiación de GIRIO que le era absolutamente necesaria, y el proyecto se amplió. En ese periodo, el equipo de I+D creció, comprendiendo entre seis y diez investigadores a tiempo completo, además de otros puestos auxiliares. En septiembre de 1959, el Dr. Shindo había dado con el proceso para fabricar fibra de carbono a partir de PAN.
Antes del desarrollo de este proceso, los sectores industriales y los gobiernos en muchos países sabían que los materiales de fibra de carbono tendrían una multitud de aplicaciones prácticas. Sin embargo, con la investigación realizada durante los años cuarenta y cincuenta en Europa y en América del Norte solo había sido posible fabricar productos de carbono y grafito obtenidos por moldeado, y los productos en forma de carbono eran todavía inalcanzables. El descubrimiento del rayón como materia prima para la fibra de carbono suscitó entusiasmo y expectativas, aunque en realidad su uso resultó sumamente ineficiente, ya que el contenido de carbono en el rayón es inferior al 20%. Las fibras de carbono a partir de poliacrilonitrilo introdujeron una nueva dimensión en la producción de la fibra de carbono, ya que el proceso del Dr. Shindo logró crear un producto con un contenido de carbono entre el 50 y el 60%. Además del mayor contenido de carbono, la fibra de carbono obtenida a partir de PAN es más fácil de fabricar que la fibra de carbono con rayón.
Una notable ventaja de la fibra de carbono de PAN es que además de adoptar la forma bidimensional, puede moldearse en formas tridimensionales sin perder sus valiosas propiedades como la resistencia a la tracción y al calor. Si bien los primeros productos de fibra de carbono se fabricaron a partir del rayón, este último fue reemplazado rápidamente por el PAN. Actualmente la fibra de carbono fabricada a partir del rayón representa menos del 10% de todos los productos de fibra de carbono. Las cualidades superiores de la fibra de carbono de PAN hacen que sea apta para una amplia gama de usos, como el fuselaje de aviones comerciales y militares y sus partes, las estructuras de la industria espacial, las baterías de litio, los artículos deportivos y los materiales de refuerzo estructural para el sector de la construcción, entre otros. El gran número de aplicaciones posibles de la fibra de carbono de PAN contribuyó a la explosión de ese sector en los años setenta. El proceso del Dr. Shindo ha hecho posible la obtención de aplicaciones que anteriormente se consideraban imposibles.
Fibra de carbono trenzada (Foto: Toray)
Invención
Los trabajos de investigación del Dr. Shindo culminaron con el desarrollo de un proceso para utilizar PAN como precursor, o principal ingrediente, para la fibra de carbono. El Dr. Shindo descubrió que el poliacrilonitrilo tiene una extraordinaria estabilidad térmica. Esa estabilidad hace que el PAN pueda retener un alto porcentaje de carbono en su composición después de la carbonización, por lo que el producto fibroso resultante es más fuerte, más flexible y tiene una mejor resistencia al calor que ninguna otra forma de fibra de carbono. En ese contexto, inventó un proceso para utilizar el poliacrilonitrilo como precursor para obtener la fibra de carbono.
El proceso del Dr. Shindo comprende una serie de etapas importantes. En primer lugar, el poliacrilonitrilo puro, polimerizado y exento de contaminación se combina con otras resinas de plástico que luego se hilan para producir fibras. Antes de la carbonización, las fibras deben estabilizarse, lo que se consigue mediante su calentamiento a 250°C durante entre 30 y 120 minutos. Luego, se les somete a una temperatura de aproximadamente 1.000°C durante algunos minutos, lo que da lugar a su carbonización. Después de la carbonización, las fibras de PAN se convierten en grafito (carbono fuertemente cristalizado), que desprenden el nitrógeno y el hidrógeno contenidos en ellas en forma de amoniaco y ácido hidrociánico. El resultado es un producto de carbono grafitizado en forma de fibra. Un importante avance de ese proceso fue el descubrimiento por el Dr. Shindo de que se podía obtener una fibra de carbono de PAN de mayor calidad llevando a cabo el proceso de calentamiento en un entorno expuesto al aire en vez de un horno cerrado.
Además, la fibra de carbono de poliacrinolitrilo contribuyó a otras invenciones y a patentes que se solicitaron en otros países, entre otras, la mejora de la tecnología desarrollada por el Royal Aircraft Establishment del Reino Unido, que fue patentada en 1963 y cedida en licencia a empresas como Rolls-Royce, Morgan Crucible y Courtaulds (London School of Economics, 2012).
Gestión de la propiedad intelectual
Cuando el Dr. Shindo concibió su invención, GIRIO no había adoptado una posición concreta en relación con las patentes. Sin embargo, la situación cambió radicalmente cuando el Sr. Tadashi Sengoku pasó a asumir el cargo de Director General de GIRIO en agosto de 1958. El Sr. Sengoku era consciente de la importancia de los derechos de propiedad intelectual (P.I.), por lo que, a partir de ese momento, el número de solicitudes de patentes derivadas de los proyectos de investigación de GIRIO empezó a aumentar.
Para elegir las invenciones que se habrían de patentar, GIRIO adoptó una política basada en una serie de factores importantes. En primer lugar, los investigadores gozaban de un importante grado de autonomía para determinar sus proyectos de investigación y decidir si solicitarían o no la protección de la P.I. En el momento en que se desarrolló la fibra de carbono de PAN, el Japón estaba aún recuperándose de las consecuencias de la Segunda Guerra Mundial. Por consiguiente, el Gobierno del Japón, las instituciones nacionales y la comunidad científica estaban resueltos a sacar el mayor partido de sus competencias para contribuir al crecimiento de la economía del país y lograr que fuera competitivo en los mercados internacionales. Así pues, varios investigadores como el Dr. Shindo centraron todos sus esfuerzos en el desarrollo de invenciones que pudieran convertirse en productos útiles, que pudieran comercializarse por las empresas, estimulando así la economía japonesa, elevando la calidad de vida y aumentando la proyección mundial del Japón.
Esa fue la motivación del Dr. Shindo al descubrir por primera vez que el PAN podía utilizarse como precursor de la fibra de carbono que, por otra parte, coincidía con la estrategia general de investigación de GIRIO. Aunque la dirección no se había planteado aún la posibilidad de aprobar la protección de la P.I., generalmente la aprobaba cuando se trataba de invenciones con efectos tan trascendentales como la fibra de carbono de PAN. Al igual que la investigación sobre la fibra de carbono de PAN, la evaluación de la invención y la decisión de solicitar la protección de la P.I. obedecían al deseo de crear un producto útil, tanto como al buen criterio de los directores, del grupo de investigación del Dr. Shindo y a las políticas de GIRIO en el momento en que se obtuvieron las patentes para esas invenciones de aplicación industrial. Como la invención del Dr. Shindo representaba un nuevo proceso que tenía repercusiones comerciales, tanto GIRIO como el Dr. Shindo sabían que era importante solicitar una patente. Ello permitiría que la tecnología fuera objeto de licencias, lo que propiciaría la competencia en el mercado y el crecimiento económico del país.
Patente
Teniendo en cuenta los objetivos de GIRIO y las estructuras de gestión de la P.I. de entonces, el Dr. Shindo tomó la iniciativa de presentar una solicitud de patente nacional ante la Oficina Japonesa de Patentes para su proceso de obtención de fibra de carbono a partir de PAN en septiembre de 1959, y también solicitarla a nivel internacional. La patente contribuyó a alcanzar los objetivos de GIRIO de múltiples maneras. En primer lugar, la obtención de una patente para su invención implicaba que la tecnología se divulgaría al público, lo que podría despertar el interés de las empresas y ofrecer a GIRIO una amplia gama de opciones de las que podría elegir las que mejor le convinieran. Incitaría también a las empresas a reflexionar sobre los nuevos tipos de I+D y de productos que podrían fabricarse. En segundo lugar, obtener una patente permitía a GIRIO organizar una transferencia oficial de tecnología con la empresa seleccionada, lo que no solo aportaría ingresos adicionales para la I+D mediante las licencias, sino que también permitiría al Dr. Shindo y a otros investigadores colaborar estrechamente con los investigadores de la empresa titular de la licencia, lo que les concedería acceso a los elementos de su infraestructura de I+D.
Fibra de carbono bobinada (Foto: Toray)
Licencias
En la época en que se desarrolló la fibra de carbono de PAN, GIRIO no había adoptado políticas oficiales en materia de comercialización, licencias o transferencia de tecnología, aunque el objetivo general de sus actividades era la promoción de la tecnología industrial mediante la I+D. Numerosas empresas comenzaron a implantar sus propios laboratorios de investigación, aprovechando los canales de información, a menudo gratuitos e informales disponibles en GIRIO, para tratar de recabar nuevas ideas para el desarrollo de nuevos productos. El marco informal en el que se produjo la transferencia de tecnología fomentó mucho interés comercial por las investigaciones de GIRIO. Consciente de la necesidad de contar con algún tipo de órgano oficial que se encargara de la transferencia de tecnología, GIRIO estableció en 1961 una Oficina de Consulta Tecnológica (TCO), que prestó asistencia técnica y asesoramiento a las empresas que deseaban comercializar varios proyectos de I+D. En 1967, cuando tuvo lugar la absorción oficial de GIRIO en lo que era el AIST antes de 2001, la primera adoptó las políticas de la segunda en relación con el fomento y la promoción de la transferencia de tecnología. Este cambio en la organización dio un fuerte impulso a GIRIO para facilitar la comercialización de nuevas tecnologías.
Cuando esto sucedió, GIRIO tuvo que elegir entre varias opciones: establecer una nueva empresa, crear una filial oficial o conceder una licencia a una empresa ya existente. Dado que el objetivo de GIRIO, del Dr. Shindo y de otros investigadores era lograr que sus actividades de I+D se transformaran en productos con una aplicación en la vida real, que ayudaran a estimular la economía japonesa, la transferencia de tecnología mediante acuerdos de licencia con empresas ya existentes se consideró la mejor alternativa.
Aproximadamente en la misma época en que el Dr. Shindo trabajaba sobre la fibra de carbono de PAN, las empresas Tokai Electrode y Nippon Carbon trataban también de desarrollar productos de fibra de carbono. Ambas empresas contaban con una gran experiencia en ese tipo de productos y estaban muy interesadas por las posibilidades que ofrecía la fibra de carbono obtenida a partir del PAN. Las empresas se pusieron en contacto con el TCO, y GIRIO transfirió la tecnología para la fibra de carbono de PAN, otorgando a esas empresas licencias no exclusivas sobre su patente, concedida en 1959.
Desafortunadamente para Tokai Electrode y Nippon Carbon, su iniciativa para el desarrollo de la fibra de carbono de PAN no tuvo el éxito inmediato que esperaban. Si bien ambas sociedades tenían mucha experiencia en la fabricación de fibra de carbono, ninguna de ellas tenía la capacidad para fabricar hilos a partir de filamentos de PAN, que era fundamental. Al mismo tiempo, Toray Industries (Toray), que en aquel entonces era el mayor fabricante de fibras sintéticas, se interesó también en la tecnología para producir fibra de carbono a partir del PAN. En 1961, Toray abrió un nuevo centro de investigación y de producción de fibra de carbono y, en 1962, comenzó a buscar nuevos usos para diversos tipos de fibra de carbono. Toray tenía la capacidad de producción de la que carecían Tokai Electrode y Nippon Carbon y, como consecuencia, en 1970, también concluyó un acuerdo de licencia con GIRIO para el proceso de fibra de carbono a partir del PAN. Al conocer los progresos alcanzados por Tokai Electrode y Nippon Carbon, Toray negoció un acuerdo con las dos empresas en virtud del cual éstas venderían a Toray los resultados de sus actividades suplementarias de I+D destinadas a la comercialización de la fibra de carbono de PAN, a cambio del pago de regalías.
Comercialización
El plan de Toray era convertirse en el líder mundial de la producción de fibra de carbono a partir del PAN, sacando el mayor provecho posible de las licencias sobre la tecnología de GIRIO, realizando sus propias mejoras y desarrollando la capacidad de fabricación, mediante la concesión recíproca de licencias con UCC. En los inicios de la fibra de carbono, el material era utilizado principalmente en aplicaciones militares, sobre todo debido a su solidez, resistencia al calor y propiedades anticorrosivas. Toray tenía que idear la manera de transformar la fibra de carbono en un producto que tuviera aplicaciones comerciales más generales. La industria aeroespacial comercial se dio rápidamente cuenta de las ventajas que conllevaba un material tan resistente, por lo que la fibra de carbono de PAN se convirtió en el pilar del sector. Toray trató de diversificar su gama de productos mediante el desarrollo de productos como los chalecos antibalas, cuerdas de amarre, sedales para la pesca y guantes de protección.
En los primeros años, Toray se centró en la racionalización del proceso de fabricación y en la producción de una fibra de carbono de PAN de la mejor calidad posible. Todo esto cambió en octubre de 1972, cuando Gay Brewer, un jugador de golf profesional de los Estados Unidos, ganó el Taiheiyo Club Masters, uno de los torneos de golf más prestigiosos del Japón de aquel entonces. Se difundió ampliamente en la prensa que los mangos de los palos de golf que había usado el Sr. Brewer habían sido fabricados con fibra de carbono por la recién creada empresa estadounidense, Aldila. Los artículos en la prensa alegaban que esos mangos de palos de golf especiales de fibra de carbono le habían dado al Sr. Brewer una fuerte ventaja, que lo había conducido a la victoria. Esto dio lugar a la explosión de los productos de fibra de carbono y Toray aprovechó esta situación, lanzando la iniciativa de fabricación de mangos de palos de golf de fibra de carbono de PAN en 1973. Entre 1973 y 1974, la demanda de fibra de carbono de PAN aumentó rápidamente y la fábrica de Toray, que tenía una capacidad de cinco toneladas mensuales, funcionaba a plena capacidad. Hacia el final de 1974, Toray fabricaba 13 toneladas de fibra de carbono de PAN por mes y la empresa había ampliado su gama de productos, abarcando otros artículos deportivos como las raquetas de tenis y las cañas de pescar. Así pues, la empresa había consolidado su postura como líder mundial del suministro de fibra de carbono de PAN de alta calidad.
Fibra de carbono bobinada (Foto: Toray))
Resultados empresariales
La transferencia de tecnología de la fibra de carbono de PAN propulsó a Toray y al Japón a la vanguardia del sector de la fibra de carbono a nivel mundial. Toray pasó a convertirse en el mayor proveedor comercial de fibra de carbono del mundo y ha experimentado un crecimiento constante en el sector de la fibra de carbono a lo largo de tres décadas. En 2011, la División de fibra de carbono de Toray representaba más del 4% de las ventas netas de la empresa, que ascendieron a más de 19.000 millones de dólares de los EE.UU. Toray cuenta con cinco instalaciones de fabricación de fibra de carbono, de las cuales dos están en el Japón, dos en los Estados Unidos y una en Francia, con una capacidad de producción total anual de más de 17.000 toneladas de fibras de carbono de PAN y de otros tipos.
La transferencia del proceso de la fibra de carbono de PAN mediante la concesión de licencias no solo benefició a Toray, sino también a otras empresas y a la economía del Japón en general. Gracias al declive de la fibra de carbono obtenida con rayón y la probada superioridad de la fibra de carbono de PAN, ésta constituye ahora la principal materia utilizada en casi todas las aplicaciones de fibra de carbono. Las empresas japonesas como Toray, Mitsubishi Rayon Co., Ltd., y Toho Tenax Co., Ltd., suministran aproximadamente el 80% del total de la fibra de carbono a nivel mundial. El mercado crece en un 15% por año y la demanda de fibra de carbono basada en el PAN en nuevos productos nunca ha sido tan elevada. El éxito financiero de la transferencia de tecnología de la fibra de carbono de PAN contribuyó a que el Japón se convirtiera en el líder mundial del sector, y desempeñó una función importante en la reactivación de la economía japonesa en los años setenta y ochenta.
El renacimiento de un sector
Cuando en 1952 el Dr. Shindo leyó por primera vez el artículo sobre la fibra de carbono, no podía imaginar que en menos de diez años inventaría un proceso que marcaría el renacimiento de todo un sector y reforzaría la economía japonesa. Conjugando un entorno de investigación propicio para las nuevas invenciones que satisfagan necesidades tangibles y un uso eficaz del sistema de P.I., las organizaciones de investigación pueden tener oportunidades similares de éxito.
