La fibra di carbonio è senza alcun dubbio uno dei materiali che più ha rivoluzionato il mondo industriale e scientifico nell’ultimo secolo.
Scoperta da Thomas Alva Edison nel 1878 (e utilizzata per ricavare il filamento delle classiche lampadine ad incandescenza), ad oggi la fibra di carbonio riscontra le applicazioni più svariate, soprattutto in ambiti tecnici in cui la leggerezza risulta importante tanto quanto la resistenza.

La prima fibra di carbonio prodotta artificialmente risale al lavoro di ricerca di Roger Bacon, che nel 1958, attraverso dei rotoli di filamenti in grafite, ottenne la prima fibra ad alte prestazioni.
La produzione industriale sarebbe stata poi avviata nel 1960, seguendo il processo ideato da William Watt.
A seconda della metodologia utilizzata per la loro produzione, le fibre possono avere dimensioni variabili tra i 5 ed i 15 micrometri di spessore (dove un micrometro rappresenta un millesimo di millimetro).

Nel periodo di lancio delle fibre di carbonio, il materiale leader di questo settore è stato il PAN (poliacrilonitrile), ad oggi non molto utilizzato; tuttavia, sono ancora in uso alcuni copolimeri (ovvero un polimero composto da molecole di monomeri diversi tra loro) contenenti quantità variabili di PAN, come ad esempio quelli contenuti nelle fibre utilizzate nel settore dell’abbigliamento per calze e magliette (quelle su cui compare la scritta “acrilico”), oppure anche nell’ambito dei prodotti per attività sportive o ludiche outdoor (come ad esempio le tende da campeggio).

Il processo industriale che porta alla produzione di fibre di carbonio a partire dal PAN è caratterizzato dalle fasi di riscaldamento, ossidazione e carbonizzazione.
Nella prima, il materiale viene portato a temperature comprese tra i 300 e i 400 °C (tali da rompere alcuni dei legami presenti nel polimero costituente e far assumere una nuova struttura); nella seconda fase, si giunge fino ai 700 °C, in maniera tale da rompere il legame tra carbonio e idrogeno dei nostri polimeri e liberare lo stesso idrogeno.

Si ottengono quindi dei polimeri a struttura grafitica regolare e continua. Tipicamente nel momento in cui si parla delle strutture di atomi di carbonio si fa riferimento alla grafite (tenera e lavorabile, anima delle nostre matite) e al confronto tra le sue caratteristiche e quelle del diamante, composto a sua volta di atomi di carbonio, ma disposti in maniera tale da renderlo uno dei materiali più duri al mondo.

Anche le fibre di carbonio sono caratterizzate da queste strutture, costituite da polimeri di grafite (anche se il termine polimero non sarebbe esatto), che forniscono una elevata tenacità se sollecitate nella direzione di sviluppo del polimero.

Allo stato attuale, comunque, in commercio esiste una grande varietà di fibre, a struttura di carbonio piuttosto variabile a seconda delle necessità di utilizzo.
Una delle caratteristiche che più influenza i costi (e le applicazioni) della fibra è il modulo elastico, variabile tra i 35 ed i 700 GPa.
Le applicazioni per questo materiale sono molteplici, per cui, per esplicarle al meglio ed essere il più completi possibile, vi rimandiamo all’appuntamento della prossima settimana.

 

Alessandro Mercuri