Struttura

Le fibre di carbonio sono un polimero di atomi di carbonio disposti ad esagoni legati tra loro in modo tale da formare dei piani di carbonio simili alla struttura della grafite . Queste fibre sintetiche sono composti chimici prodotti principalmente dalla sintesi del petrolio e del carbone. Circa il 90% delle fibre di carbonio prodotte sono realizzate in poliacrilonitrile. Il restante 10% è costituito da rayon o petrolio. Tutti questi materiali sono polimeri organici, caratterizzati da lunghe stringhe di molecole legate insieme da atomi di carbonio. La composizione esatta di ogni precursore, termine tecnico per indicare il materiale grezzo per produrre la fibra di carbonio, varia da una società all’altra ed è considerato un segreto commerciale.

Le fasi che portano alla formazione della fibra di carbonio sono la  stabilizzazione, la carbonizzazione,  il trattamento e il dimensionamento.

La stabilizzazione

Durante la fase della stabilizzazione  le fibre devono essere modificate chimicamente per convertire il loro legame atomico lineare in un legame  più termicamente stabile. Questo risultato si ottiene  riscaldando le fibre a circa 200/300 ° per 30-120 minuti. Questo permette alle fibre di raccogliere  molecole di ossigeno dall’aria e riorganizzare la propria disposizione atomica.  Queste reazioni chimiche dette stabilizzanti sono complesse e comportano diversi passaggi, alcuni dei quali si verificano simultaneamente. Il processo di stabilizzazione utilizza una varietà di attrezzature e tecniche. In alcuni processi, le fibre sono disegnate attraverso una serie di camere riscaldate. In altri, le fibre passano sui rulli caldi e attraverso letti di materiali sciolti tenuti in sospensione da un flusso di aria calda. Alcuni processi utilizzano aria riscaldata miscelata con alcuni gas che accelerano chimicamente la stabilizzazione.

La carbonizzazione 

Una volta che le fibre si  sono stabilizzate, vengono ulteriormente  riscaldate ad una temperatura di circa 1.000-3.000 ° C per diversi minuti in un forno riempito con una miscela di gas che non contiene ossigeno. La mancanza di ossigeno impedisce infatti alle fibre di bruciare a temperature molto elevate e l’alta pressione del gas esercitata all’interno del forno. Quando le fibre vengono riscaldate, iniziano a perdere più atomi di carbonio sotto forma di vari gas tra cui vapore acqueo, ammoniaca, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno, azoto e altri. Quando gli atomi non di carbonio vengono espulsi, i rimanenti atomi di carbonio formano cristalli di carbonio strettamente legati che sono allineati più o meno paralleli all’asse lungo della fibra. In alcuni processi, vengono utilizzati due forni che funzionano a due diverse temperature per controllare meglio la velocità di riscaldamento durante la carbonizzazione.

Il trattamento della superficie

Le fibre presentano una superficie che non aderisce ancora bene con gli epossidici, ovvero polimeri che si induriscono una volta che vengono a contatto con il freddo,  e altri materiali utilizzati nei materiali compositi. Per conferire alle fibre maggiori proprietà leganti, la loro superficie è leggermente ossidata. L’aggiunta di atomi di ossigeno alla superficie fornisce migliori proprietà di legame chimico e inoltre incide e irruvidisce la superficie per migliori proprietà di legame meccanico. L’ossidazione può essere ottenuta immergendo le fibre in vari gas quali aria, anidride carbonica o ozono; o in vari liquidi come l’ipoclorito di sodio o l’acido nitrico. Le fibre possono anche essere rivestite elettroliticamente rendendo le fibre il terminale positivo in un bagno riempito con vari materiali elettricamente conduttivi. Il processo di trattamento della superficie deve essere attentamente controllato per evitare la formazione di minuscoli difetti superficiali, come i pozzi, che potrebbero causare guasti alle fibre.

Il dimensionamento

Dopo il trattamento superficiale, le fibre vengono rivestite per proteggerle dai danni durante l’avvolgimento o la tessitura. Questo processo è chiamato dimensionamento ed è l’ultima fase della lavorazione. I materiali di rivestimento sono scelti per essere compatibili con l’adesivo usato per formare materiali compositi. I materiali di rivestimento tipici includono resina epossidica, poliestere, nylon, uretano e altri.


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