Come viene prodotta la fibra di carbonio?

Chiamata anche fibra di grafite o grafite di carbonio, la fibra di carbonio è costituita da fili molto sottili dell'elemento carbonio. Le fibre di carbonio hanno un'elevata resistenza alla trazione e sono molto forti per le loro dimensioni. In effetti, la fibra di carbonio potrebbe essere il materiale più resistente che ci sia.

Ogni fibra ha un diametro di 5-10 micron. Per dare un'idea di quanto sia piccolo, un micron (um) è 0,000039 pollici. Un filo di seta di ragnatela è di solito tra 3-8 micron.

Le fibre di carbonio sono due volte più rigide dell'acciaio e cinque volte più forti dell'acciaio (per unità di peso). Inoltre, sono altamente resistenti agli agenti chimici e hanno una tolleranza alle alte temperature con bassa espansione termica.

Le fibre di carbonio sono importanti in materiali tecnici, aerospaziali, veicoli ad alte prestazioni, attrezzature sportive e strumenti musicali - per citarne solo alcuni dei loro usi.

Materiali grezzi

La fibra di carbonio è costituita da polimeri organici, che consistono in lunghe stringhe di molecole tenute insieme da atomi di carbonio. La maggior parte delle fibre di carbonio (circa il 90 percento) sono prodotte dal processo di poliacrilonitrile (PAN). Una piccola quantità (circa il 10 percento) viene prodotta dal rayon o dal processo di pece di petrolio. Gas, liquidi e altri materiali utilizzati nel processo di fabbricazione creano effetti, qualità e gradi specifici della fibra di carbonio. La fibra di carbonio di altissima qualità con le migliori proprietà del modulo viene utilizzata in applicazioni impegnative come quella aerospaziale.

I produttori di fibre di carbonio differiscono l'uno dall'altro nelle combinazioni di materie prime che utilizzano. Di solito trattano le loro formulazioni specifiche come segreti commerciali.

Processo di produzione

Nel processo di fabbricazione, le materie prime, che sono chiamate precursori, vengono trascinate in lunghi fili o fibre. Le fibre sono tessute in tessuto o combinate con altri materiali che sono avvolti da filamenti o modellati nelle forme e dimensioni desiderate.

Esistono in genere cinque segmenti nella produzione di fibre di carbonio dal processo PAN. Questi sono:

1. Filatura. PAN miscelato con altri ingredienti e filato in fibre, che vengono lavate e stirate.
2. Stabilizzazione. Alterazione chimica per stabilizzare il legame.
3. Carbonizzazione. Fibre stabilizzate riscaldate ad altissima temperatura formando cristalli di carbonio strettamente legati.
4. Trattare la superficie. La superficie delle fibre ossidate per migliorare le proprietà di legame.
5. Dimensionamento. Le fibre sono rivestite e avvolte su bobine, che vengono caricate su filatoi che torcono le fibre in filati di dimensioni diverse. Invece di essere tessute in tessuti, le fibre possono essere formate in compositi. Per formare materiali compositi, calore, pressione o un vuoto unisce le fibre con un polimero plastico.

Sfide di produzione

La produzione di fibre di carbonio comporta una serie di sfide, tra cui:

• La necessità di un recupero e una riparazione più convenienti.
• Il processo di trattamento superficiale deve essere attentamente regolato per evitare la creazione di fosse che potrebbero provocare fibre difettose.
• È necessario uno stretto controllo per garantire una qualità costante.
• Problemi di salute e sicurezza
• Irritazione della pelle
• Irritazione respiratoria
• Arcate e cortocircuiti nelle apparecchiature elettriche a causa della forte elettro-conduttività delle fibre di carbonio.

Il futuro della fibra di carbonio

A causa della sua elevata resistenza alla trazione e leggera, molti considerano la fibra di carbonio come il materiale di produzione più significativo della nostra generazione. La fibra di carbonio può svolgere un ruolo sempre più importante in settori quali:

• Energia: Pale del mulino a vento, stoccaggio e trasporto di gas naturale, celle a combustibile.
• Vetture: Attualmente utilizzata solo per veicoli ad alte prestazioni, la tecnologia in fibra di carbonio sta diventando più ampia. Nel dicembre 2011 General Motors ha annunciato che sta lavorando a materiali compositi in fibra di carbonio per la produzione di massa di automobili.
• Costruzione: Calcestruzzo prefabbricato leggero, protezione antisismica.
• Aerei: Aerei da difesa e commerciali. Veicoli aerei senza equipaggio.
• Esplorazione petrolifera: Piattaforme di perforazione in acque profonde, tubi di perforazione.
• Nanotubi di carbonio: Materiali a semiconduttore, veicoli spaziali, sensori chimici e altri usi.

Nel 2015, la fibra di carbonio aveva una dimensione di mercato di $ 2,25 miliardi. Le proiezioni prevedono che il mercato si espanderà a $ 31 miliardi entro il 2024. A tale scopo, i costi devono essere ridotti e le nuove applicazioni mirate.