Le fibre di carbonio, la cui comparsa sul mercato risale al 1960, sono il prodotto della modificazione di fibre organiche quali rayon, acriliche, ecc. oppure si producono da residui della distillazione del petrolio o del catrame.
Le prime vengono denominate Carbonio PAN, le altre carbonio da pece (Pitch).
Le fibre di carbonio sono la transizione tra le fibre inorganiche e le fibre organiche: fibre ad elevate prestazioni.
Le fibre di carbonio, scoperte da Edison nel 1879 sono state prodotte commercialmente solo dal 1960 sulla base di un procedimento definito da William Watt per la Royal Aircraft in Inghilterra, rappresentano il punto di separazione tra le fibre organiche e le fibre inorganiche in quanto prodotte per modificazione di fibre organiche o da peci organiche. Le fibre di vetro e le fibre di carbonio in particolare hanno dato inizio all’era dei materiali compositi avanzati per impiego inizialmente militare o aeronautico ed in seguito anche per l'utilizzo nell’industria automobilistica e per il tempo libero.
Le fibre di carbonio possono essere prodotte per trattamento termico e pirolisi di diversi precursori polimerici quali il rayon, il poliacrilonitrile, le poliammidi aromatiche, le resine fenoliche, ecc.
Recentemente sono state introdotte fibre di carbonio e di grafite ottenute da materiali peciosi. Il termine fibra di grafite è usato impropriamente in quanto le fibre non sono ottenute da grafite, ma da trattamenti termici delle fibre di carbonio al di sopra di 2000°C con il disporsi degli atomi di carbonio in maniera simile alla struttura della grafite.
Il precursore che ha dato inizio all’era delle fibre di carbonio nel 1960, è la fibra di poliacrilonitrile, PAN, caratterizzata da una composizione chimica adeguata, da uno specifico orientamento molecolare e da una certa morfologia.
La composizione chimica è importante per moderare l’esotermicità della reazione di ciclizzazione dei —CN, 18kcal/mole, condotta a 220 - 260 °C per alcune ore.
La reazione di ciclizzazione conduce ad un materiale ignifugo di colore nero, PAN ossidato, ma con proprietà meccaniche modeste, utilizzato per abbigliamento protettivo, per ovatte ignifughe o in compositi carbonio-carbonio, per freni ad elevate prestazioni.
Il processo successivo di carbonizzazione è generalmente condotto a 400-1000 °C in atmosfera inerte o sotto vuoto e serve alla rimozione di atomi dalla struttura e allo sviluppo della struttura grafitica.
Dopo il trattamento a 1000 °C la fibra contiene più del 90% di carbonio e circa il 5% di azoto.
Risulta di essenziale importanza il controllo della ritrazione della fibra durante la fase di ciclizzazione a 220-260 °C, in quanto in questa fase viene determinato
l’allineamento dei segmenti molecolari lungo l’asse della fibra, orientamento da cui dipende il modulo elastico finale. L’orientamento molecolare impartito alla fibra acrilica originale influenza la tenacità ed il modulo elastico della fibra finale.
Un eccessivo orientamento è negativo perché introduce difetti superficiali ed all’interno della fibra.
Il pitch, pece o residuo catramoso, è il residuo della distillazione del catrame o del petrolio ed è composto da migliaia di idrocarburi aromatici, di peso molecolare da 200 a 800, che formano un sistema multi-eutettico con temperature di rammollimento tra 50 e 300 °C molto inferiori alle temperature di fusione dei componenti aromatici puri.
Durante il trattamento termico tra 400 e 450 °C si forma una mesofase (cristalli liquidi con un ordine molecolare intermedio compresotra quello dei cristalli e quello di un liquido). Per il gradiente di scorrimento durante l’estrusione da un capillare le molecole della mesofase vengono orientate lungo l’asse della fibra.
Il processo di produzione di fibre di carbonio da mesofase della pece è così schematizzato:
- il precursore pece o catrame viene trattato termicamente sopra 350 °C per essere convertito in mesofase contenente le due fasi isotropa ed anisotropa.
- Dopo estrusione, a circa 380 °C, la fase isotropa viene resa infusibile per termofissaggio in aria ad una temperatura al di sotto del punto di rammollimento a circa 300 °C.
- La fibra, al termine del procedimento, viene carbonizzata a 1000 °C oppure trattata a temperature superiori a 2000 °C per la produzione di fibre di grafite ad elevata elasticità.
I vantaggi principali di questo processo sono:
- tensione dei filamenti non richiesta durante la fase di carbonizzazione e di grafitizzazione
- tempi delle singole fasi molto più brevi del processo da PAN.
Nella tabella sono sintetizzate le più importanti proprietà delle fibre di carbonio prodotte da PAN e da pitch:
- Si ringrazia l'Università di Trento per la collaborazione -
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