Le fibre di carbonio

Le qualità delle fibre di carbonio

Le fibre di carbonio si ottengono da processi di sintesi a partire dal carbonio o dal petrolio. I composti ottenuti vengono ridotti in filamenti di varia lunghezza. Queste fibre si distinguono in base alle materie prime, che possono essere organiche o inorganiche, e le cui caratteristiche entrano nella chimica dei componenti: si possono ottenere dalla modifica di fibre organiche oppure dalla distillazione di residui del petrolio o del catrame. Anche il procedimento di lavorazione influisce sulle caratteristiche finali del tipo di fibra di carbonio ottenuto. Le fibre di carbonio hanno un diametro compreso tra i 5 e i 15 micromillimetri, un'elevata conducibilità elettrica e termica, inerzia chimica ma non resistenza all'ossidazione. Inoltre le fibre di carbonio sono caratterizzate da elevate caratteristiche meccaniche per cui sono estremamente flessibili, elastiche e resistenti alla trazione.

Fibre di carbonio turbostratiche o da Pan

Le fibre di carbonio hanno come precursore l'acrilonitrile, un monomero usato nella produzione della gomma, dalla cui polimerizzazione si ottiene la fibra di poliacrilonitrile, ovvero il PAN, il papà di tutte le fibre sintetiche, a partire dall' orlon prodotto negli anni '50. Il poliacrilonitrile viene riscaldato, fatto ossidare e sottoposto a carbonizzazione per consentire la graduale espulsione dell'azoto e dell'idrogeno presenti nella composizione chimica del polimero. Si ottiene così un composto di soli atomi di carbonio, legati in una struttura grafitica, che è una delle forme cristalline tipiche del carbonio (l'altra è il diamante). Si tratta di una struttura ordinata, con una disposizione degli atomi continua, pressocchè regolare come un nastro e stratificata. Ogni strato è costituito da celle esagonali i cui vertici, costituiti dall' atomo di carbonio, sono tenuti insieme da legami forti e stabili. Altri legami carbonio-carbonio tengono uniti gli strati che possono non essere perfettamente allineati, ma uniti in modo casuale o addirittura ripiegati. Le fibre di carbonio così ottenute sono turbostratiche e tendono ad avere un maggior carico di rottura.

Fibre di carbonio grafitiche o da Pitch

Il processo che permette di ottenere le fibre di carbonio dai residui catramosi, ovvero il pitch o pece, è più semplice e rapido e consiste di due sole fasi: termofissaggio e carbonizzazione. Queste fasi possono essere caratterizzate da procedimenti diversi, come l'utilizzo o meno di solventi, ma lo scopo è sempre quello di eliminare dalla pece gli elementi non carboniosi, che volatilizzano sotto forma di metano, idrogeno, acqua, ossido e biossido di carbonio e altri gas fino ad ottenere una catena continua costituita solo da atomi di carbonio. Il processo avviene a temperature elevatissime tra i 1500°C e i 3000°C in atmosfera inerte e l' effettiva temperatura adottata è responsabile del grado di orientazione all'interno della fibra oltre che della variazione di altre proprietà. Nella fibra di carbonio così ottenuta gli strati tendono ad allinearsi parallelamente all'asse della fibra, che risulta perfettamente grafitica ed ha un'elevata conducibilità termica.

Gli utilizzi delle fibre di carbonio

Il filato in fibre di carbonio viene classificato sulla base della densità lineare (1 tex=1g/1000m). Più strati di materiale sovrapposti, con fibre orientate in direzioni diverse fanno i laminati extra leggeri. Le fibre di carbonio vengono usate nei compositi, per rinforzare le resine epossidiche o altri materiali termoindurenti conferendo loro tenacia e resistenza. Per l'alta resistenza chimica e alla corrosione, meccanica e allo strappo, per il peso contenuto, lo spessore ridotto in pochi centimetri e il basso assorbimento di acqua anche in ambienti umidi, le fibre di carbonio trovano impiego in moltissimi settori. Nell'edilizia, nell'adeguamento statico delle strutture senza aumento di pesi propri, nelle ristrutturazioni, per le strutture lesionate, per la ricucitura di archi e volte o nelle strutture complesse come ciminiere, ponti e pilastri. La fibra di carbonio entra come componente strutturante altamente tecnologica in tantissimi altri settori, dall'abbigliamento alla nautica, dove si trova negli scafi, nelle vele e nel cordame, ma anche in quello automobilistico e in quello aeronautico, nelle protesi mediche, negli strumenti musicali e, addirittura nei gioielli.

Domande frequenti

Quali sono i vantaggi principali delle fibre di carbonio rispetto ad altri materiali per il consolidamento strutturale?

Le fibre di carbonio offrono un rapporto resistenza-peso eccezionale, permettendo di aumentare la capacità portante delle strutture senza aumentarne il peso proprio, fattore cruciale nelle ristrutturazioni. Sono inoltre estremamente sottili, occupando pochi centimetri di spazio, il che preserva l'estetica e la volumetria degli edifici. Grazie alla loro inerzia chimica e alla bassa assorbenza d'acqua, garantiscono durabilità anche in ambienti umidi o aggressivi, resistendo bene alla corrosione e agli agenti atmosferici meglio dell'acciaio tradizionale.
Come si differenziano le fibre turbostratiche da quelle grafitiche?

La differenza principale risiede nel processo produttivo e nella struttura molecolare. Le fibre turbostratiche derivano dal poliacrilonitrile (PAN) e presentano una struttura stratificata meno ordinata, risultando generalmente più resistenti alla trazione e al carico di rottura. Le fibre grafitiche, ottenute dalla pece di carbone (pitch) a temperature molto elevate, mostrano un allineamento parallelo degli strati atomici, offrendo maggiore conducibilità termica ed elettrica, ma spesso una minore resistenza meccanica alla trazione rispetto alle PAN. La scelta dipende dalle specifiche esigenze tecniche del progetto.
In quali contesti edilizi si applicano comunemente questi materiali?

Nell'edilizia, le fibre di carbonio sono ideali per il consolidamento sismico e il rafforzamento strutturale senza appesantire l'edificio. Si utilizzano frequentemente per ricucire fessure in archi, volte e strutture complesse come ponti, pilastri e ciminiere. Sono particolarmente indicate quando non è possibile intervenire con metodi tradizionali che richiederebbero ingombri maggiori o aumenti di peso significativi. Il materiale viene laminato sulle superfici da consolidare, integrandosi discretamente grazie allo spessore ridotto.
È possibile utilizzare le fibre di carbonio anche in ambito non edilizio?

Assolutamente sì, data la loro versatilità. Oltre all'edilizia, sono ampiamente impiegate nel settore aerospaziale e automobilistico per ridurre i pesi e aumentare la sicurezza. Nel mondo nautico, vengono usate per scafi, vele e cordame grazie alla resistenza e leggerezza. Trovano applicazione anche nello sport (attrezzature ad alte prestazioni), nella medicina (protesi), nell'audiofilia (strumenti musicali) e persino nel design e nella gioielleria, dimostrando come questa tecnologia avanzata abbia superato i confini industriali tradizionali.
Qual è il ruolo della resina epossidica nel composite in fibra di carbonio?

La resina epossidica agisce come matrice che lega insieme le fibre di carbonio, trasferendo i carichi meccanici tra di esse e proteggendole dagli agenti esterni. Senza la resina, le fibre singole sarebbero fragili e difficili da gestire strutturalmente. L'impregnazione delle fibre nella resina crea un materiale composito ibrido che combina la resistenza a trazione delle fibre con la stabilità e la forma fornite dalla matrice polimerica. Questo binomio garantisce tenacia, rigidità e resistenza allo strappo, fondamentali per le applicazioni strutturali.