COME SI PRODUCE LA FIBRA DI CARBONIO?

La fibra di carbonio, composta da combinazioni di materiali diversi (fibra e resina), la sua variabilità e, quindi, la sua personalizzabilità, sono fondamentali per il suo fascino. Come sostituti del metallo, i compositi in fibra di carbonio offrono una resistenza dieci volte superiore a quella dell'acciaio. I produttori di fibra di carbonio creano prodotti simili ma non identici. La fibra di carbonio varia in modulo di trazione (o rigidezza determinata dalla deformazione sotto sforzo) e resistenza a trazione, compressione e fatica.

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Oggigiorno, la fibra di carbonio a base di PAN è disponibile con modulo basso (meno di trentadue milioni di lbf/in² o Msi), modulo standard (da 33 a 36 Msi), modulo intermedio (da 40 a 50 Msi), modulo alto (da 50 a 70 Msi) e modulo ultra alto (da 70 a 140 Msi).
In termini più semplici, la fibra di carbonio viene creata dallo spostamento di fibre organiche precursori in atmosfera inerte a temperature superiori a 1800 °F (982,22 °C). La produzione di fibra di carbonio, tuttavia, può essere un'attività complessa.

Polimerizzazione e filatura

Polimerizzazione

Il processo inizia con una materia prima chimica, chiamata precursore, che costituisce la struttura molecolare della fibra. Oggi, circa il 100% della fibra di carbonio prodotta è costituito da precursori a base di tessuto o pece, ma la maggior parte proviene dal poliacrilonitrile (PAN), prodotto a partire da nitrito, e il nitrito deriva da prodotti chimici industriali come propano e ammoniaca.

In genere, la formulazione del precursore inizia con un composto nitrilico che viene combinato in un reattore con un comonomero acrilico plastificato e un catalizzatore come acido, biossido, olio di vetriolo o acido. La miscelazione continua consente agli ingredienti di combinarsi, garantendo consistenza e purezza e innescando la formazione di radicali liberi all'interno della struttura molecolare del nitrito. Questa modifica si traduce in un processo chimico che produce polimeri a catena lunga che formano fibre acriliche. I dettagli del processo chimico, come temperatura, atmosfera, comonomeri specifici e catalizzatori, sono brevettati. Dopo il lavaggio e l'asciugatura, il nitrito in polvere viene disciolto in solventi organici come dimetilsolfuro (DMSO), dimetilacetammide (DMAC) o dimetilformammide (DMF), oppure in solventi liquidi come cloruro di sodio e sali di rodamina. I solventi organici aiutano a prevenire la contaminazione da particelle metalliche in tracce, che potrebbero compromettere la stabilità termica aerofila del processo e ritardare la prestazione termica della fibra finita. In questa fase, la sospensione di polvere e solvente, o "rivestimento" precursore, determina la consistenza dello sciroppo. La scelta del solvente e, di conseguenza, il grado di controllo della viscosità del rivestimento (mediante filtrazione profonda) sono fondamentali per il successo della fase successiva di formazione delle fibre.
Filatura
Le fibre PAN sono prodotte con un metodo chiamato filatura a umido. Il rivestimento viene immerso in un bagno di processo liquido ed estruso attraverso un foro in una filiera realizzata in fibra di carbonio. Il passaggio è adattato al numero di filamenti richiesto per la fibra PAN (ad esempio, 12.000 fori per fibra di carbonio 12K). Questa fibra filata a umido, relativamente spessa e fragile, viene tirata attraverso un rullo per eliminare l'agente in eccesso, quindi essiccata e stirata per mantenere l'orientamento del composto PAN. In questo caso, la forma e la sezione trasversale interna dei filamenti sono determinate dalla misura in cui il solvente e l'agente scelti penetrano nelle fibre precursori, dalla quantità di tensione applicata e dall'allungamento parziale dei filamenti. Quest'ultimo è di proprietà di ciascun produttore. Un'alternativa alla filatura a umido è un metodo combinato chiamato sabbiatura a secco/filatura a umido, che utilizza un'intercapedine d'aria verticale tra le fibre e il bagno di processo liquido. Questo porta a una fibra PAN sferica ed elegante che migliora l'interfaccia fibra/matrice-colofonia all'interno del composito. Il passaggio finale nella formazione delle fibre precursori di PAN consiste nell'uso di oli di finitura per impedire l'agglomerazione dei filamenti viscosi. Le fibre PAN bianche vengono quindi nuovamente essiccate e avvolte su una bobina.

Ossidazione e carbonizzazione

Ossidazione

Queste bobine vengono caricate nel cestello e, nella fase di produzione più lunga, quella di ossidazione, le fibre PAN vengono alimentate attraverso una serie di forni dedicati. Prima di entrare nell'elettrodomestico principale, le fibre PAN si placano in una matassa o foglio chiamato ordito. La temperatura della camera varia da circa 200 °C a 300 °C.

Per evitare lo scongelamento incontrollato del calore (scongelamento dell'entalpia stimato durante l'ossidazione, calcolabile in 2.000 kJ/chilogrammo, che rappresenta il vero rischio di incendi), i produttori di elettrodomestici utilizzano una varietà di flussi d'aria per contribuire a dissipare il calore e gestire la temperatura. Guidato da uno specifico precursore chimico, il tempo di ossidazione è diverso, ma Littler stima che la fibra a 24 K venga trasformata a una velocità di circa 12 metri per 13 metri al minuto su una linea di grandi dimensioni con più forni di ossidazione. Infine, le fibre PAN stabilizzate contengono da circa 500 a circa 65 molecole di carbonio, mentre il resto è gas, una miscela di numero atomico 7 e O.
Carbonizzazione
La carbonizzazione avviene in atmosfera inerte (priva di ossigeno) in una serie di forni appositamente progettati, aumentando gradualmente la temperatura di processo. In corrispondenza del corpo idrico e dell'uscita di ogni camera, la camera di miglioramento impedisce l'intrusione di O2 poiché ogni molecola di O2 che passa attraverso l'elettrodomestico rimuove una piccola quantità di fibre. Ciò può prevenire la perdita di carbonio generata a tale temperatura. In assenza di O2, solo le molecole non carboniose, inclusi i composti e altri composti organici volatili (stabilizzati a un livello compreso tra 40 e 80 ppm) e il particolato (come i frammenti di fibre parzialmente depositati) vengono rimossi e scaricati dall'elettrodomestico per il post-trattamento in un forno a temperatura controllata. La carbonizzazione inizia in una camera termica, dove le fibre vengono trasferite a temperature comprese tra 700 °C e 800 °C, per poi terminare in una camera termica a circa 1.200 °C e 1.500 °C (circa 1.500 °C). Il numero di camere è determinato dal modulo di elasticità richiesto dalla fibra di carbonio; il costo relativamente elevato delle fibre di carbonio ad alto e medio modulo è dovuto in parte alla durata e alla temperatura che devono essere raggiunte dal forno termico. Sebbene la durata sia brevettata e ogni grado di fibra di carbonio sia diverso, la durata dell'ossidazione è calcolata in ore, mentre la velocità di carbonizzazione si riduce di un ordine di grandezza in minuti. Una volta che la fibra cambia stato, si riducono peso e volume, si accorcia la lunghezza dal 5 al 100% e si riduce il diametro. Infatti, il rapporto quantitativo di conversione del precursore PAN in fibra di carbonio PAN è di circa 2:1 e anche la capacità di spostamento è inferiore a due, ovvero molto meno materiale entra nel processo. Questa metodologia combina le molecole di O2 presenti nell'aria con le fibre PAN all'interno dell'ordito e avvia la reticolazione delle catene composte. Ciò aumenta la densità delle fibre da circa 1,18 g/cc a 1,38 g/cc.

Trattamento superficiale e dimensionamento

Trattamento superficiale e dimensionamento
Il passaggio successivo è essenziale per le prestazioni della fibra e, oltre ai precursori, è ciò che distingue al meglio il prodotto di un fornitore da quello della concorrenza. L'adesione tra il composto organico della matrice e le fibre di carbonio è essenziale per il rinforzo del composito; durante il processo di produzione delle fibre di carbonio, viene eseguito un trattamento superficiale per migliorare tale adesione.

Data di pubblicazione: 01-11-2018

Come si produce la fibra di carbonio?

COME SI PRODUCE LA FIBRA DI CARBONIO?

Polimerizzazione e filatura

Ossidazione e carbonizzazione

Trattamento superficiale e dimensionamento