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Fibre di carbonio dalla biomassa

La crescente domanda di materiali compositi leggeri e ad alte prestazioni sta guidando lo sviluppo nel settore industriale della fibra di carbonio (CF, carbon fibre). Un team di ricercatori europei ha ottenuto degli innovativi precursori a basso costo per le CF a partire da biomassa rinnovabile per soddisfare questa esigenza in aumento.
Fibre di carbonio dalla biomassa
Circa l’80 % delle CF attualmente sul mercato utilizzano poliacrilonitrile (PAN) quale materia prima di partenza, a causa delle sue qualità superiori in confronto alle CF basate sulla pece. Tuttavia, le CF prodotte a partire dal PAN sono costose, e questo limita il loro impiego al settore dell’aeronautica, a quello militare e ad altri settori che hanno bisogno di materiali ad alte prestazioni e accettano pertanto i costi elevati degli stessi.

Il progetto CARBOPREC, finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida sviluppando precursori a basso costo per CF nanostrutturate CF a partire da materiali rinnovabili ampiamente disponibili in Europa. «Lignina e cellulosa rinforzate da nanotubi di carbonio sono usate per produrre CF economicamente vantaggiose con prestazioni medie per impieghi destinati al mercato di massa, come per le automobili e le pale delle turbine eoliche», afferma la dottoressa Célia Mercader, ricercatrice presso CANOE, un centro di R&S specializzato nello sviluppo di prodotti finiti e semilavorati nel settore dei compositi e dei materiali avanzati.

Proprietà migliorate

Accanto alla cellulosa, la lignina è il più abbondante polimero derivato dalle piante al mondo e si trova nelle pareti cellulari di quasi tutte le piante sulla terraferma. I partner del progetto hanno ottenuto lignina di elevata purezza utilizzando dei solventi organici per scomporre il legno dolce, che è stato poi filato in una miscela con polimeri termoplastici per ottenere fibre basate sulla lignina.

I ricercatori hanno studiato due processi con fibre bianche per la produzione di fibre continue. Il primo prevede un approccio con filatura ad umido per la cellulosa dissolta in acido fosforico; il secondo utilizza la filatura a fusione mediante estrusione per la lignina. Lo studio del processo di carbonizzazione e delle differenti fasi di funzionalizzazione ha portato a una migliore resa della carbonizzazione e ha aggiunto valore attraverso le CF sviluppate negli impieghi finali mirati.

Le CF ottenute dal precursore ricavato dalla cellulosa possedevano le proprietà meccaniche desiderate e questo le rendeva adatte per i procedimenti associati, che prevedevano la filatura ad umido della cellulosa e la carbonizzazione. La squadra ha sviluppato un nuovo reattore, pompa e pacchetto per la filatura della cellulosa che sono stati installati in strutture della CANOE, rendendo possibile la dissoluzione della cellulosa in acido fosforico con nanotubi di carbonio.

Compositi a basso costo

Una domanda di brevetto è stata presentata per il processo di carbonizzazione e il tessuto carbonizzato utilizzato per fabbricare le parti del dimostratore, tra cui la pala di una turbina eolica usando CF da cellulosa e resina termoplastica. «Questo dimostratore ha mostrato un buon comportamento meccanico in confronto alla stessa parte ottenuta con fibre di carbonio da PAN», commenta la dottoressa Mercader. Un altro risultato fondamentale per CARBOPREC è stata la modellazione completa dell’analisi del ciclo vitale.

Formulazioni ad alta purezza basate su cellulosa e lignina hanno consentito una dispersione omogenea dei nanotubi di carbonio nel polimero. L’ottimizzazione del processo di carbonizzazione ha incrementato la resa della cellulosa fino a un massimo del 25 % e del 40 % per la lignina. La sostituzione della fase di ossidazione con la fase di trattamento al plasma ha semplificato il processo di produzione e ha migliorato la resistenza alla trazione delle CF.

CARBOPREC ha migliorato lo sfruttamento commerciale dei risultati dalla R&S, che possono essere applicati a molti settori, inclusi quelli che si occupano di automobili, nano-compositi, edifici, energia, biomateriali e biotessili. «Esso aiuterà l’industria a rispettare le nuove norme dell’UE relative alle emissioni dei veicoli, utilizzando parti in compositi a basso costo per ridurre il peso delle automobili, rendendo possibile la fabbricazione di pale più lunghe per le turbine eoliche che sono sia leggere che rigide, e che catturano in tal modo più energia», fa notare la dottoressa Mercader.

Keywords

CARBOPREC, fibra di carbonio, carbonizzazione, poliacrilonitrile (PAN), nanotubi