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Fibre di carbonio con prestazioni migliori a un costo ridotto e con benefici per il pianeta

I compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) sono dell’80 % più leggeri rispetto all’acciaio e del 50 % più leggeri rispetto all’alluminio, ma forniscono una resistenza e una rigidità almeno doppie. NEWSPEC si proponeva di superare le barriere legate a costo e sicurezza che ne impedivano un’adozione diffusa.
Fibre di carbonio con prestazioni migliori a un costo ridotto e con benefici per il pianeta
Nonostante abbiano solitamente un diametro di appena 5–10 micrometri, le fibre di carbonio (CF) possiedono molte caratteristiche vantaggiose, come ad esempio rigidità e resistenza elevate, insieme al peso basso e alla tolleranza elevata alle temperature. Questo le rende interessanti per l’industria aerospaziale, quella dell’ingegneria civile e quella militare.

Tuttavia, le CF rimangono costose se paragonate alle alternative e il processo di fabbricazione presenta delle sfide considerevoli, tra cui il fatto che la resina polimerica, poliacrilonitrile (PAN), usata quale precursore nel 90 % delle fibre di carbonio, desta preoccupazioni in merito a sicurezza e ambiente.

Il progetto NEWSPEC, finanziato dall’UE, ha esaminato le proprietà del polietilene (PE) quale precursore per la produzione di CF a basso costo. La squadra ha progettato, sviluppato e testato dei prototipi funzionanti per la lavorazione continua di CF che includevano: apparecchiature per la filatura a fusione capaci di produrre in modo semi-industriale fibre PE, apparecchiature per la solforazione allo stato gassoso, apparecchiature con plasma a doppio punto per la funzionalizzazione di superficie delle CF e una sonda Raman remota per il monitoraggio in linea delle caratteristiche meccaniche delle CF.

Lancio di innovative tecniche di lavorazione

Spiegando l’interesse di NEWSPEC verso lo studio del PE quale precursore delle fibre di carbonio, il coordinatore del progetto NEWSPEC, il dott. Matteo Falasconi, ha dichiarato al Warrant Group EFD: «presenta interessanti caratteristiche tecniche quali alta resa di carbonio e idoneità per produrre fibre di carbonio di medie prestazioni. È anche relativamente flessibile e facile da lavorare con un costo molto concorrenziale di circa due euro per chilogrammo. In confronto al PAN, si tratta di un risparmio sul costo del precursore che raggiunge il 70 %».

Dopo le prove, avendo poi scartato il PE basato sul petrolio e quello riciclato, il progetto ha scoperto che il Bio-PE ricavato dalla disidratazione di bioetanolo per ottenere etilene – e poi dalla polimerizzazione per ottenere PE – offriva dei vantaggi significativi. Esso è ampiamente disponibile come sottoprodotto delle colture alimentari annuali, ha una buona purezza e consuma meno energia (circa il 70 %) in confronto alle alternative petrolchimiche. Ma soprattutto, è anche sostenibile, rinnovabile ed ecologico: la produzione di 1kg di Bio-PE cattura 2,5 kg di CO2 dall’atmosfera.

Al fine di preparare i polimeri PE per la conversione in CF essi vengono sottoposti a un procedimento noto come stabilizzazione che li rafforza per la fabbricazione ad alte temperature. NEWSPEC ha introdotto un originale metodo a secco utilizzando zolfo solido elementare assistito da trattamento con fascio di elettroni (EBC, Electron Beam Curing) che introduce eteroatomi nella fase di precursore, per sostituire il consueto processo a umido (acido) associato con preoccupazioni legate a sicurezza e ambiente.

Tuttavia, come spiega il dott. Falasconi, «Questo innovativo processo di solforazione in fase gassosa non era mai stato tentato prima su scala pilota, quindi la sfida per noi era quella di progettare e sviluppare queste apparecchiature per la stabilizzazione e la carbonizzazione del precursore PE. Un obbiettivo raggiunto con successo, chiamando le apparecchiature “SULFI”»

NEWSPEC ha inoltre ridotto la grafitizzazione o la temperatura a cui il polimero PE stabilizzato inizia a trasformarsi nella struttura cristallina del carbonio. Questo è stato fatto introducendo nano-agenti (come ad esempio nanocristalli di cellulosa) nella matrice polimerica.

Inoltre, affinché le fibre di carbonio diventino buoni materiali compositi, esse vengono sottoposte a un procedimento chiamato funzionalizzazione di superficie, che rappresenta una fase essenziale per migliorare la compatibilità delle fibre con differenti resine. NEWSPEC ha usato la tecnologia del plasma atmosferico a questo scopo, scoprendo che è rispettosa dell’ambiente, flessibile (adatta per tutti i tipi di gruppi chimici), e che è inoltre applicabile per la produzione continua dall’inizio alla fine.

Benefici della sostenibilità in molteplici settori industriali

NEWSPEC ha applicato sia il calcolo dei costi del ciclo di vita (LCC) che la valutazione del ciclo di vita (LCA) alle sue innovazioni nel campo della produzione e delle prestazioni. Con le modifiche al precursore, sono state trovate solide prove di un danno ambientale ridotto. La LCA ha inoltre mostrato l’effetto positivo dell’introduzione del plasma atmosferico per il trattamento della superficie, che ha portato a una riduzione del 5 % dell’impatto ambientale.

Come riassume il dott. Falasconi, «Le fibre di carbonio da polietilene potrebbero fornire il più elevato rapporto prestazioni/costo di qualsiasi altro precursore attualmente sotto esame».

Oltre ai settori delle infrastrutture civili e industriali, si prevede che l’uso delle CF per pale più efficienti nelle turbine eoliche, in particolare nelle aree in mare aperto, sarà il primo grande settore di impiego entro il 2020. Anche la riqualificazione di turbine (più piccole) già installate è molto interessante per le imprese del settore energetico.

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