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La fibra di carbonio , chiamata anche fibra di grafite, è una fibra sintetica composta da filamenti molto fini, da 5 a 10 micron di diametro, di un polimero il cui elemento principale è il carbonio. Dalla tessitura e dalla lavorazione di migliaia di questi sottili filamenti si ottiene una fibra di carbonio. Questi filamenti hanno un’elevata resistenza alla trazione, quindi sono estremamente forti per il loro spessore. Una forma di fibra di carbonio, il nanotubo di carbonio, è considerato il materiale più resistente che può essere realizzato. In generale, le fibre di carbonio hanno proprietà simili all’acciaio, anche se sono molto più leggere, con una densità simile al legno o alla plastica.
Le applicazioni delle fibre di carbonio sono molteplici: nell’edilizia, nella tecnologia aerospaziale, nei veicoli ad alte prestazioni, in varie applicazioni ingegneristiche, nelle attrezzature sportive, negli strumenti musicali.
Le fibre di carbonio hanno varie applicazioni legate all’energia, come la realizzazione di pale per turbine eoliche; Sono inoltre utilizzati nei sistemi di stoccaggio del gas naturale e negli accumulatori elettrici per veicoli. Nell’industria aeronautica, questo materiale viene utilizzato sia negli aerei commerciali che militari, nonché nei veicoli aerei senza pilota. Sono anche utilizzati nella produzione di piattaforme e tubi per la prospezione e lo sfruttamento petrolifero in acque profonde.
I filamenti che compongono la fibra di carbonio sono costituiti da polimeri organici: lunghe catene di composti del carbonio che vengono prodotti dall’unione ripetuta della stessa molecola, chiamata monomero . La maggior parte delle fibre di carbonio, circa il 90%, sono realizzate in poliacrilonitrile (PAN). Questo polimero è generato da acrilonitrile o propilennitrile (C 3 H 3 N), nella reazione mostrata nella figura seguente.
Le condizioni specifiche dei processi di lavorazione del materiale gli conferiscono le particolari qualità delle fibre di carbonio. Alcune di queste condizioni sono le materie prime utilizzate, le temperature delle lavorazioni (alcune fasi vengono svolte in forni ad alte temperature) o l’atmosfera in cui vengono prodotte (parte delle lavorazioni avvengono in assenza di ossigeno). I processi di produzione sono di proprietà dei loro produttori, quindi vari aspetti del processo sono segreti commerciali. La fibra di carbonio di altissima qualità, con il modulo di elasticità più efficiente, viene utilizzata nelle applicazioni più esigenti, come l’industria aerospaziale.
Processi di produzione della fibra di carbonio
La produzione di fibre di carbonio combina processi chimici e meccanici. La materia prima precursore delle fibre di carbonio viene prodotta in sottili filamenti che vengono poi riscaldati a temperature elevate in un’atmosfera anaerobica (priva di ossigeno). Le alte temperature provocano l’espulsione dal materiale di tutti gli atomi che non sono carbonio. In questo modo il processo di carbonizzazione produce una fibra composta principalmente da atomi di carbonio in lunghe catene, prodotto dell’intreccio dei filamenti originari. Queste fibre possono quindi essere tessute o mescolate con altri materiali per produrre un altro tipo di fibra o modellate in varie forme e dimensioni. Vediamo di seguito la sequenza dei processi coinvolti nella fabbricazione delle fibre di carbonio.
filato . Il poliacrilonitrile viene miscelato con altri componenti e filato in fibre che si dispiegano dopo il lavaggio.
stabilizzazione . Le fibre subiscono processi chimici che stabilizzano i composti.
carbonizzazione . Le fibre stabilizzate vengono riscaldate a temperature molto elevate, tra 1.000 e 2.500 gradi Celsius per lunghi periodi di tempo, in atmosfera anaerobica. È così che si genera la cristallizzazione del carbonio in un’unione ad alta coesione.
Trattamento superficiale . La superficie delle fibre è ossidata per migliorare il legame tra le fibre nella successiva trecciatura.
sagomato . Le fibre vengono trattate e avvolte su bobine che vengono caricate in macchine che le attorcigliano in fibre di diverso spessore e proprietà meccaniche. Queste fibre possono essere utilizzate per tessere tessuti o combinate con altri materiali come i polimeri termoplastici in processi che utilizzano il calore, la pressione o il vuoto, al fine di formare parti con formati e proprietà specifici.
I nanotubi di carbonio sono realizzati utilizzando processi diversi rispetto alle fibre di carbonio standard, utilizzando raggi laser in forni speciali nel processo di carbonizzazione. I nanotubi possono raggiungere resistenze venti volte superiori a quelle dei loro precursori.
Terminata la serie di lavorazioni si otterranno fibre di carbonio e ciascuna di esse sarà composta da migliaia di filamenti di carbonio; il numero di filamenti di ogni fibra può variare tra 1.000 e 24.000, essendo questa una caratteristica costruttiva specificata caso per caso.
La struttura della fibra di carbonio così prodotta sarà simile a quella della grafite, che si dispiega in fogli sovrapposti di atomi di carbonio con una struttura cristallina il cui andamento è esagonale. A differenza della grafite, la fibra di carbonio è un materiale amorfo, non cristallino; gli atomi di carbonio sono disposti in fogli che si intersecano, il che conferisce a questa fibra la sua eccezionale resistenza meccanica.
I processi di produzione della fibra di carbonio comportano una serie di rischi e sfide. I costi di produzione sono insostenibili per alcune applicazioni; Ad esempio, sebbene si tratti di una tecnologia in via di sviluppo, i costi proibitivi dell’industria automobilistica attualmente limitano l’utilizzo delle fibre di carbonio ai veicoli ad alte prestazioni e di lusso.
Il processo di trattamento superficiale deve essere attentamente regolato per evitare la generazione di difetti che si traducono in fibre difettose. È necessario un rigoroso controllo del processo per garantire la qualità del prodotto. A loro volta, questi processi sono associati a problemi di salute e sicurezza e possono causare condizioni respiratorie ed epidermiche. Le fibre di carbonio sono conduttrici elettriche, quindi possono generare archi e cortocircuiti nelle apparecchiature elettriche, con il conseguente rischio.
Una tecnologia in via di sviluppo
Man mano che la tecnologia della fibra di carbonio continua ad evolversi, le possibilità di utilizzo e applicazione si diversificheranno e aumenteranno. Diversi studi relativi alla produzione di fibre di carbonio sono in fase di sviluppo presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) che già mostrano risultati promettenti nella creazione di nuove tecnologie di produzione e progettazione per soddisfare la domanda dell’industria.
Il professore associato di ingegneria meccanica del MIT John Hart, un pioniere dei nanotubi, ha lavorato con i suoi studenti per trasformare la tecnologia di produzione, compresa la ricerca di nuovi materiali da utilizzare nelle stampanti 3. D spot pubblicitari. Hart ha chiesto ai suoi studenti di pensare fuori dagli schemi per immaginare stampanti 3D che funzionassero con nuovi materiali. I risultati sono stati prototipi che hanno stampato vetro fuso, gelato e compositi in fibra di carbonio. I team di studenti hanno anche creato macchine in grado di gestire l’estrusione parallela di polimeri su vasta area , oltre a eseguire la scansione ottica in loco del processo di stampa.
John Hart ha lavorato con Mircea Dinca, professore associato di chimica al MIT, su un progetto congiunto con Automobili Lamborghini. Ha studiato le possibilità di sviluppare nuovi materiali compositi e fibra di carbonio che un giorno potrebbero consentire di utilizzare l’intera carrozzeria dell’auto come un sistema di batterie, oltre a produrre strutture più resistenti e leggere, vernici più sottili, convertitori catalitici più efficienti e ottenere un calore migliore. trasferimento nel sistema automobilistico.
Con la prospettiva di progressi così sorprendenti, non c’è da meravigliarsi se si prevede che il mercato della fibra di carbonio crescerà da 4,7 miliardi di dollari nel 2019 a 13,3 miliardi di dollari nel 2029.
Fonti
- McConnell, Vicky. La realizzazione della fibra di carbonio . Mondo composito , 2008.
- Shermann, Don. Oltre la fibra di carbonio: il prossimo materiale rivoluzionario è 20 volte più resistente. Car and Driver, accesso a settembre 2021.
- Randall, Danielle. I ricercatori del MIT collaborano con Lamborghini per sviluppare un’auto elettrica del futuro . MITMECHE/In The News: Department of Chemistry, 2017. Mercato della fibra di carbonio per materia prima (PAN, pece, rayon), tipo di fibra (vergine, riciclata), tipo di prodotto, modulo, applicazione (composito, non composito), fine use Industry (A&D, Automotive, Wind Energy) e Region—Global Forecast fino al 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
- Eurek Alert! Il corso del MIT sfida gli studenti a reinventare la stampa 3D .