17 Aprile 2025   |   Fibra di carbonio

Come si produce la fibra di carbonio?

Se hai già un’idea di cos’è la fibra di carbonio, forse hai sentito parlare delle due macrocategorie PAN e pitch. In questo articolo vedremo come si produce la fibra di carbonio e come cambiano i processi in base al precursore polimerico di partenza.

 

Quali sono i precursori polimerici

Intanto le fibre di carbonio possono essere classificate non solo in base all’armatura, ovvero alla configurazione che le fibre assumono e alle proprietà che ne derivano, ma anche rispetto al tipo di processo produttivo con cui sono state ottenute e al precursore polimerico di base (per semplificare: la “materia prima”). 

I principali precursori polimerici sono quattro: 

• fibre di carbonio da poliacrilonitrile (PAN);
• fibre di carbonio da pece isotropica;
• fibre di carbonio da pece anisotropica (MPP);
• fibre di carbonio da rayon.

 

Esistono anche le fibre di carbonio da fase gas (VGCF), ma vengono poco commercializzate, perché la loro produzione a partire da metano, etilene o idrocarburi è ad oggi complessa, costosa e ottiene fibre con prestazioni meccaniche inferiori.

 

Fibre di carbonio PAN e pitch

In base a questi precursori si individuano due macrocategorie: fibre di carbonio PAN e fibre di carbonio pitch (pece). Nelle PAN rientrano quelle ottenute dalla modificazione di materiali organici, come il rayon o gli acrilici; nelle pitch troviamo invece le fibre che derivano da residui della distillazione di petrolio o catrame.

 

Inoltre le fibre di carbonio PAN sono definite turbostratiche, poiché i fogli di atomi di carbonio da cui sono costituite sono uniti in maniera casuale o ripiegati insieme a formare una struttura cristallina con piani disallineati, deviati lateralmente l’uno rispetto all’altro. Si ottiene così un maggior carico di rottura, cioè la massima sollecitazione di trazione che la fibra può sopportare prima di rompersi.

 

Le fibre di carbonio pitch, invece, possono essere turbostratiche, grafitiche o ibride. Sono definite grafitiche quando derivate dalla mesofase pece e riscaldate a temperature superiori a 2.200°. Questo trattamento termico consente di ottenere elevate prestazioni di rigidità (in riferimento al modulo di Young o modulo di elasticità) e di conducibilità termica.

 

Vediamole più nel dettaglio, per capire come si produce la fibra di carbonio a seconda del precursore da cui deriva.

 

La produzione delle fibre di carbonio da poliacrilonitrile (PAN)

Il poliacrilonitrile (PAN) è stato il precursore che, a partire dal 1960, ha dato inizio all’era delle fibre di carbonio. La produzione di fibre di carbonio PAN si compone di tre passaggi fondamentali:

 

1. Stabilizzazione: il filo di poliacrilonitrile (PAN) viene riscaldato lentamente a temperature tra 200-300°C in presenza di ossigeno. Durante questo processo, il materiale cambia struttura chimica, diventa nero e resistente al calore, preparandosi alle fasi successive.
2. Carbonizzazione: il filo stabilizzato viene poi riscaldato a temperature molto più alte (1000-1500°C) in un ambiente privo di ossigeno. A questo punto, la maggior parte degli elementi diversi dal carbonio viene eliminata sotto forma di gas, lasciando filamenti composti quasi interamente da carbonio.
3. Grafitizzazione: per ottenere fibre di qualità superiore, si può eseguire un’ulteriore fase di riscaldamento a temperature estremamente elevate (2500-3000°C). Questo processo permette agli atomi di carbonio di organizzarsi in una struttura più ordinata, migliorando significativamente la resistenza e la rigidità della fibra.
   

 

La produzione delle fibre di carbonio pitch

Il primo a realizzare che le fibre di carbonio potevano essere ottenute dalla pece fu Sugio Otani, ricercatore dell’Università di Gunma, in Giappone, negli anni ‘60. Il suo lavoro fu fondamentale per comprendere la relazione tra la struttura della mesofase del pitch e le proprietà finali delle fibre di carbonio ottenute.

 

La produzione della fibra di carbonio pitch ha un processo più complesso e articolato, rispetto alle fibre PAN, composto da quattro passaggi:

1. Purificazione e mesofase: la sostanza residua da petrolio o catrame dev’essere purificata e poi sottoposta a un trattamento termico per far emergere la cosiddetta mesofase, la struttura molecolare speciale di cui si compone.
2. Stabilizzazione: la mesofase viene fusa e filata in sottilissimi filamenti, per poi essere sottoposta a un primo riscaldamento che la stabilizza.
3. Carbonizzazione: la mesofase viene carbonizzata ad alte temperature (intorno ai 1000-1500°C) in assenza di ossigeno.
4. Grafitizzazione: l’ultima fase di grafitizzazione a temperature ancora più elevate (2500-3000°C) allinea perfettamente i piani di carbonio ed è necessaria per ottenere fibre di carbonio ultra performanti.

 

Il risultato è un filamento nero, sottilissimo, rigido e conduttivo, ideale in applicazioni dove sono richieste prestazioni elevate, come nei satelliti o in componenti aerospaziali di altissima precisione, che in Carbonteam possiamo produrre, anche in numero limitato di prototipi test, grazie a competenze e tecnologie ad alte performance, che trasformano l’impossibile in straordinario.

 

Arrivati alla fine di questo articolo conosci come si produce la fibra di carbonio PAN e pitch. Vuoi sapere qual è la più adatta al tuo progetto? Parliamone insieme.