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2015-09-27

Cosa sono le fibre di carbonio - principali produttori

FIBRE CARBONIO

 Le fibre di carbonio, comparse sul mercato nel 1960, sono prodotte per modificazione di fibre organiche (rayon, acriliche, ecc.) o da residui della distillazione del petrolio o del catrame. Le prime sono chiamate Carbonio-PAN, le altre carbonio da pece (Pitch).
Le fibre di carbonio possono essere considerate la transizione tra le fibre inorganiche e le fibre organiche: addirittura la struttura rigida delle molecole ad anelli ciclici a nastro o a scala a pioli, delle fibre di carbonio sia da PAN che da peci ha suggerito come costruire molecole organiche aromatiche per ottenere fibre ad elevate prestazioni.
Le fibre di carbonio, scoperte (1879) da Edison sono state prodotte commercialmente solo dal 1960 secondo un procedimento messo a punto da William Watt per la Royal Aircraft in UK, 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 carbonio insieme alle fibre di vetro hanno iniziato l’era dei materiali compositi e le fibre di carbonio in particolare quella dei materiali compositi avanzati per impiego inizialmente militare o aeronautico ed in seguito anche per prodotti dell’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.

Fibre di carbonio da PAN

Il precursore che in realtà ha iniziato l’era delle fibre di carbonio (1960), è la fibra di poliacrilonitrile, PAN, caratterizzata da una composizione chimica adeguata, da un particolare 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 porta ad un materiale ignifugo di colore nero, PAN ossidato, ma con proprietà meccaniche modeste, che viene utilizzato per abbigliamento protettivo, per ovatte ignifughe o in compositi carbonio-carbonio, per freni ad elevate prestazioni (aerei, macchine da corsa e treni ad alta velocità).
Il processo successivo di carbonizzazione (400-1000 °C) è generalmente condotto in atmosfera inerte o sotto vuoto e porta alla rimozione di atomi dalla struttura e allo sviluppo della struttura grafitica.
Da 400 a 1000°C si sviluppano HCN, NH3 e N2; possono svilupparsi anche CO, CO2 e H2O in funzione della quantità di O2 che il precursore ossidato ha legato durante il trattamento a 220-260 °C in aria.
Dopo il trattamento a 1000 °C la fibra contiene più del 90% di carbonio e circa il 5% di azoto.
È molto importante controllare la 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.

Fibre di carbonio da pece

Il pitch, pece o residuo catramoso, è il residuo della distillazione del catrame o del petrolio e consiste di 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 di gran lunga inferiori alle temperature di fusione dei componenti aromatici puri.
Per trattamento termico tra 400 e 450 °C si forma una mesofase, ovvero cristalli liquidi aventi un ordine molecolare intermedio tra 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 viene infine carbonizzata a 1000 °C o trattata a temperature superiori a 2000 °C per produrre fibre di grafite ad elevato modulo elastico. I vantaggi principali di questo processo è che non è richiesta alcuna tensione dei filamenti durante la fase di carbonizzazione e di grafitizzazione ed i tempi delle singole fasi che sono molto più brevi del processo da PAN.




L’analisi strutturale della fibra mostra che gli strati di carbonio sono paralleli all’asse della fibra.
Nella tabella sono sintetizzate le più importanti proprietà delle fibre di carbonio prodotte da PAN e da pitch.

Caratteristica
Fibre da PAN
Fibre da Pece
Tenacità (GPa)
1,8-7,0
1,4-3,0
Modulo Elastico (GPa)
230-540
140-820
Allungamento a rottura (%)
0,4-2,4
0,2-1,3
Densità (g/cm3)
1,75-1,95
2,0-2,2

Principali Produttori di fibre di carbonio


Marchio
Azienda
Paese
Sito web

FORMOSA PLASTICS CO.
Taiwan

BESFIGHT
TOHO RAYON CO LTD
J
CARBOFLEX
ASHLAND
USA
CELION (TOHO)
BASF CORPORATION FIBER PRODUCTS
USA
CURLON
RK CARBON FIBERS LTD
UK

DIALEAD
MITSUBISHI RAYON
J
FILKAR
SOFICAR
F

FORTAFIL
FORTAFIL FIBERS
USA
GRAFIL
GRAFIL INC.
USA
GRAFIL
HYSOL
UK+USA

HI-CARBOLON
ASAHI KASEI CARBON
J

KUREHA
KUREHA CHEMICAL
J

LINEON
RK CARBON FIBERS LTD
UK

MAGNAMITE
HERCULES
USA

PANEX
ZOLTEK
USA,H
PANOX
RK CARBON FIBERS LTD
UK

PANOX
SGL CARBON
D, UK,F,USA
PYROFIL
GRAFIL INC.

PYROFIL
MITSUBISHI RAYON
J

PYRON
ZOLTEK
USA,H
SIGRAFIL
SGL CARBON
D, UK,F,USA
SIGRATEX
SGL CARBON
D, UK,F,USA
TENAX
TENAX FIBERS (AKZO+TOHO RAYON)
D+J
THORNEL
AMOCO FABRICS & FIBERS
USA
THORNEL
AMOCO FABRICS & FIBERS
USA
TORAYCA
SOFICAR
F

TORAYCA
TORAY
J
TORAYCA
AMOCO FABRICS & FIBERS
USA
Il maggior produttore mondiale è TORAY, seguita da TOHO RAYON.