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Cost effective lignin-based carbon fibres for innovative light-weight applications

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Componenti auto leggere di origine vegetale a sostegno di un’industria automobilistica molto ecologica

Le leggi della fisica ci dicono che è necessario più lavoro per accelerare un oggetto pesante rispetto a un oggetto leggero e, quando si tratta di automobili, ciò significa più consumo di carburante ed emissioni maggiori. Una innovativa tecnologia di produzione sta trasformando la lignina in fibra di carbonio per rafforzare i compositi leggeri di domani.

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L’industria automobilistica ha fatto passi da gigante nel ridurre il peso dei veicoli sostituendo l’acciaio pesante con materie plastiche e compositi. Le materie plastiche comuni sono relativamente onnipresenti ma quelle rinforzate con fibra di carbonio (materiali più resistenti che possono essere utilizzati persino per componenti strutturali) sono ancora piuttosto costose e utilizzate principalmente in auto sportive di fascia alta e auto da corsa. Il progetto GreenLight, finanziato dall’UE, ha sviluppato un metodo di produzione per fabbricare fibre di carbonio dalla lignina, un sottoprodotto economico dell’industria della cellulosa e della carta. I vantaggi abbondano per l’industria della carta e della cellulosa, per l’industria automobilistica e per l’ambiente.

Marginalizzare i combustibili fossili in più di un modo

Il mercato della fibra di carbonio dovrebbe crescere da circa 5 miliardi di dollari nel 2019 a oltre 13 miliardi di dollari nel 2029, con l’industria automobilistica quale settore d’uso finale con la crescita più rapida in termini di valore. Circa il 90 % delle fibre di carbonio sono attualmente prodotte dal precursore sintetico poliacrilonitrile (PAN). Il PAN deriva da combustibili fossili e produrne fibre di carbonio è difficile e costoso. Un’alternativa ecologica potrebbe ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Inoltre, come spiega la coordinatrice del progetto, Ewellyn Capanema: «Le fibre di carbonio biologiche a basso costo consentirebbero una maggiore sostituzione dell’acciaio con materiali compositi in fibra di carbonio nelle automobili. Ciò ridurrebbe il peso e il consumo di carburante del parco automobili, abbassando notevolmente le emissioni». La lignina Kraft è un biopolimero ricco di carbonio prodotto durante il processo Kraft che converte il legno in polpa. Può essere isolata dal «liquor nero» (il sottoprodotto del recupero delle fibre di cellulosa) in forma solida. A differenza del PAN, la lignina può essere trattata tramite filatura per fusione o filatura per estrusione, che è più semplice ed economica rispetto al trattamento PAN mediante soluzione di filatura che richiede anche l’utilizzo, la rimozione e il recupero di solventi organici. Tuttavia, non esistevano metodi di filatura per fusione su larga scala in grado di trasformare la lignina in fibra di carbonio.

Tutto fila

Il team ha depositato un brevetto per un nuovo processo di filatura della lignina che consente la rotazione e l’avvolgimento continui con il cambio automatico della bobina. «GreenLight ha ora dimostrato la continua filatura multifilamento (circa 1 000 filamenti) di lignina di legno dolce prodotta dal processo kraft. Le fibre risultanti hanno le proprietà di trazione più elevate finora riportate per le fibre di carbonio a base di lignina pura con filatura per fusione, e il processo di conversione è più veloce di quello precedentemente riportato. In base alle loro proprietà meccaniche e superficiali, le fibre di carbonio a base di lignina potrebbero essere utilizzate per produrre compositi a fibre corte con costi di produzione inferiori e ampie applicazioni», spiega Capanema.

I componenti auto a base vegetale potrebbero essere dietro l’angolo

La lignina Kraft rappresenta circa l’85 % della produzione globale di lignina e la tecnologia di GreenLight può trasformarla rapidamente ed economicamente in fibre di carbonio a base di lignina. Con la previsione che il mercato della fibra di carbonio dovrebbe triplicare nel prossimo decennio, l’industria forestale, della cellulosa e della carta potrebbe avere un nuovo e considerevole mercato per la lignina. I risultati favorevoli delle valutazioni tecnico-economiche e del ciclo di vita di GreenLight supportano i benefici finanziari e ambientali della fibra di carbonio a base di lignina. Mentre il consorzio GreenLight punta alla commercializzazione, i compositi in fibra di carbonio di origine vegetale potrebbero essere dietro l’angolo nelle auto leggere di domani a bassa impronta di carbonio.

Parole chiave

GreenLight, carbonio, lignina, fibra di carbonio, filatura, polpa, kraft, leggero, auto, composito, PAN, combustibile fossile, settore automobilistico, carburante, emissioni, plastica, acciaio, bobina, legno dolce, filamento, poliacrilonitrile

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27 Settembre 2022