La produzione della fibra di carbonio raramente comincia dal carbonio: nella maggior parte dei casi si parte da un filo di polimero acrilico, il poliacrilonitrile (PAN), che viene riscaldato prima in aria a circa 180–300 °C, poi a oltre 1.000 °C in assenza di ossigeno. Il filo perde quasi tutto ciò che non è carbonio e diventa un filamento di carbonio. Questi filamenti vengono poi riuniti in fili, tessuti, impregnati di resina e polimerizzati in uno stampo. Ecco ogni fase, spiegata in modo semplice.
Il motivo incrociato che si vede su una cover in fibra di carbonio tessuta è il risultato visibile di tutta questa catena: migliaia di filamenti riuniti in fili, intrecciati e poi fissati in una resina trasparente.
In breve
- La maggior parte delle fibre di carbonio nasce da un filo di PAN, stabilizzato in aria e poi carbonizzato in gas inerte.
- La temperatura di carbonizzazione determina il tipo di fibra: alta resistenza verso 1.200–1.400 °C, alto modulo fino a 3.000 °C.
- Un pezzo rigido nasce solo con la resina: tessuto o preimpregnato, stampo, poi polimerizzazione sottovuoto o in autoclave.
Da cosa si parte per produrre la fibra di carbonio?
Il carbonio puro non si può filare: non fonde a pressione ambiente e non si scioglie. Per ottenere un filamento di carbonio si produce quindi prima un filamento di un altro materiale, detto precursore, e poi se ne elimina con il calore tutto ciò che non è carbonio, senza che il filo perda la sua forma.
La letteratura tecnica descrive tre precursori: il poliacrilonitrile (PAN), le fibre di viscosa (rayon) e la pece, un residuo del petrolio o del carbone. Questo dossier segue il PAN, la via descritta per le fibre ad alta resistenza e ad alto modulo, che offre una buona resa in carbonio: secondo il corso dell'Indian Institute of Technology pubblicato su NPTEL, i precursori PAN danno una resa in carbonio del 50–55 %. In altre parole, circa metà della massa del filo di partenza se ne va sotto forma di gas durante la produzione.
Il PAN è un polimero simile a quello dei tessuti acrilici. Viene filato in migliaia di filamenti continui, stirati per allineare le sue lunghe molecole lungo l'asse del filo. Questo allineamento conta: è ciò che darà poi alla fibra di carbonio la sua rigidità nel senso della lunghezza.
Come fa un filo acrilico a diventare carbonio?
La trasformazione avviene in continuo: i fili scorrono attraverso una serie di forni a temperature crescenti. Si distinguono tre fasi.
1. La stabilizzazione (o ossidazione)
Il filo di PAN viene prima riscaldato in aria, a circa 180–300 °C. Le molecole si riorganizzano e fissano ossigeno: il filo diventa nero e, soprattutto, infusibile. Senza questa fase fonderebbe o brucerebbe nei forni successivi. La reazione sprigiona calore, quindi la temperatura deve salire lentamente per evitare che la reazione si inneschi in modo incontrollato.
2. La carbonizzazione
Il filo stabilizzato entra poi in forni pieni di gas inerte, senza ossigeno: non può quindi bruciare. Lo stesso corso NPTEL descrive due zone: fino a 600 °C, un riscaldamento molto dolce (meno di 5 °C al minuto), poi da 600 a 1.300 °C, dove il riscaldamento può essere più rapido. Idrogeno, azoto e ossigeno fuoriescono sotto forma di gas, e gli atomi di carbonio rimasti si dispongono in strati simili a quelli della grafite.
3. La grafitizzazione (per alcune fibre)
Per ottenere fibre ancora più rigide, si porta la temperatura fino a circa 3.000 °C, sotto tensione e sempre in gas inerte. Oltre i 2.000 °C l'azoto non viene più usato come gas protettivo, perché reagirebbe con il carbonio: si impiegano altri gas inerti.
La temperatura finale determina il tipo di fibra ottenuto:
| Tipo di fibra | Temperatura di trattamento | Contenuto di carbonio |
|---|---|---|
| Alta resistenza | da 1.200 a 1.400 °C | dal 92 al 96 % |
| Alto modulo | da 1.800 a 2.500 °C | circa 99 % |
| Altissimo modulo | da 2.800 a 3.000 °C | circa 99 % |
Fonte: NPTEL, «Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors». Più la fibra è rigida («alto modulo»), più energia richiede: ciò spiega in parte la differenza di costo tra i gradi.
Perché la fibra viene trattata e ensimata?
All'uscita dai forni, la fibra di carbonio è molto liscia e chimicamente poco reattiva. Eppure è utile solo se legata a una resina. Due operazioni preparano questo legame.
Il trattamento superficiale. Il produttore giapponese Toray spiega nella sua guida alla scelta delle fibre di carbonio che questo trattamento «aggiunge gruppi funzionali ossigenati e incide leggermente la superficie della fibra». Così la resina aderisce meglio al filamento.
L'ensimaggio. Si applica poi uno strato protettivo sottilissimo, l'ensimaggio (sizing in inglese), scelto per essere compatibile con la resina che verrà usata: epossidica, poliestere, vinilestere… L'ensimaggio protegge anche i filamenti durante la tessitura. Toray precisa che un ensimaggio leggero rende il filo più facile da allargare, mentre uno più abbondante protegge meglio la fibra nelle manipolazioni impegnative.
Infine la fibra viene avvolta su bobine. A questo punto è ancora solo un filo nero e flessibile, che si può piegare: la rigidità verrà dalla resina.
Che cosa significano 3K, 12K e «twill»?
Dai filamenti ai fili
Un filo di carbonio (detto anche «tow») riunisce migliaia di filamenti paralleli. Il numero seguito da K ne indica la quantità in migliaia: un filo 3K conta 3.000 filamenti, un filo 12K ne conta 12.000. La guida Toray cita per esempio la sua fibra T300 in 1.000, 3.000 e 6.000 filamenti per filo, e classifica i fili da 1.000 a 6.000 filamenti tra i «fili piccoli»; i fili standard prodotti negli Stati Uniti contano 12.000, 24.000 o 36.000 filamenti.
I fili piccoli danno una trama fine e regolare, quella che si vede sulle parti a vista. I fili grandi si prestano di più a componenti industriali, dove il motivo resta raramente visibile.
Dai fili al tessuto
I fili vengono poi tessuti su telai, come un tessile. Il documento «Prepreg Technology» di Hexcel, produttore di compositi per l'aeronautica, descrive le principali armature:
- Tela (plain): uno sopra, uno sotto, a scacchiera. Tessuto stabile, ma che si adatta male alle forme curve.
- Twill (saia, in 2/1, 3/1 o 2/2): ogni filo passa sopra due o tre altri, disegnando le linee oblique tipiche del carbonio. Un compromesso intermedio tra stabilità e capacità di seguire le curve.
- Raso (satin): pochissimi incroci, tessuto morbido che si adatta bene alle forme complesse.
Esistono anche strati unidirezionali, in cui tutte le fibre vanno nello stesso senso, usati quando un pezzo lavora soprattutto in una direzione. Il motivo carbonio «classico», quello che cambia aspetto con la luce, corrisponde il più delle volte al twill. È anche uno degli indizi descritti nella nostra guida per distinguere la vera fibra di carbonio da un'imitazione.
Come diventa il tessuto un pezzo rigido?
Un tessuto di carbonio da solo è flessibile. Per ottenere un pezzo lo si abbina a una resina (di solito epossidica) che, una volta indurita, tiene le fibre al loro posto e trasmette loro gli sforzi. È questa coppia fibra più resina che si chiama composito.
Il preimpregnato
Nell'industria il tessuto viene spesso fornito già impregnato con una quantità precisa di resina: è il preimpregnato (prepreg). Hexcel indica che si conserva in congelatore a −18 °C, di norma per 12 mesi, e che un rotolo può richiedere fino a 48 ore per tornare a temperatura ambiente prima dell'apertura. Secondo lo stesso documento, i compositi in carbonio preimpregnato raggiungono circa il 60 % di fibra in volume.
Laminazione, sacco a vuoto e polimerizzazione
Gli strati di preimpregnato vengono tagliati e sovrapposti in uno stampo, alternando talvolta l'orientamento delle fibre: è la laminazione. L'insieme viene coperto con film tecnici e un sacco, poi si aspira l'aria. Il vuoto preme gli strati tra loro con una pressione di al massimo 1 bar, e il pezzo viene polimerizzato in forno. Per i pezzi più esigenti, il forno è sostituito da un'autoclave, un recipiente che aggiunge pressione: lo schema di Hexcel mostra pressioni da 1 a 10 bar.
Le resine epossidiche dei preimpregnati polimerizzano tipicamente a 120 °C o a 180 °C. Hexcel associa alla prima una temperatura di esercizio di circa 100 °C, alla seconda da 130 a 155 °C. Dopo raffreddamento e sformatura, il pezzo viene rifilato, levigato se necessario ed eventualmente verniciato.
Il consiglio di Fibernium: su un accessorio, per Lei non conta il nome del processo, ma il risultato visibile. Una vera trama di carbonio mostra profondità e riflessi che si muovono quando si inclina l'oggetto; un motivo stampato resta piatto. Osservi il pezzo sotto una luce radente prima di decidere.
E il carbonio forgiato si produce allo stesso modo?
La fibra è la stessa: esce dagli stessi forni. Cambia la formatura. Invece di un tessuto con fili ben allineati, il carbonio forgiato usa fibre corte o frammenti disposti alla rinfusa, mescolati alla resina e pressati in uno stampo. L'effetto marmorizzato nasce da questa disposizione casuale, per cui non esistono due pezzi identici. Approfondiamo le differenze di aspetto e di utilizzo nel nostro articolo carbonio forgiato o fibra di carbonio tessuta.
Per la storia del carbonio, dai circuiti agli oggetti di tutti i giorni, legga dal circuito alla Sua tasca.
Questo dossier descrive il processo generale dell'industria. Nelle nostre schede descriviamo il materiale di ogni prodotto: FIBRE è una vera lastra di fibra di carbonio tessuta, FORGE e BRUTE sono in vero carbonio forgiato, MAILLE abbina carbonio e aramide. Le finiture GIVRE e HYBRIDE, della linea «Style carbone», sono in fibra di vetro e non in carbonio. Per ritrovare questi materiali:
- Le cover in fibra di carbonio tessuta
- Le cover in carbonio forgiato
- Le cover in carbonio colorato
- I fermasoldi in carbonio
Domande frequenti
La fibra di carbonio è carbonio puro?
Quasi. Secondo il corso NPTEL, le fibre ad alta resistenza contengono dal 92 al 96 % di carbonio, quelle ad alto modulo circa il 99 %. Un pezzo finito, invece, è un composito: contiene anche resina.
Perché la fibra di carbonio è costosa da produrre?
Il processo concatena diversi forni ad alta temperatura, in gas inerte, con una stabilizzazione lenta. Circa metà della massa del precursore PAN va persa lungo il percorso. Poi bisogna ancora tessere, impregnare, stampare e polimerizzare.
Che cosa significa 3K su un tessuto di carbonio?
Che ogni filo del tessuto riunisce 3.000 filamenti. Un filo 12K ne contiene 12.000. Il numero indica la finezza della trama, non la qualità della fibra.
Che cos'è un'autoclave?
Un recipiente riscaldato e pressurizzato in cui si polimerizzano i pezzi in composito messi sottovuoto. La pressione aggiuntiva compatta meglio gli strati e riduce le bolle, cosa utile soprattutto per pezzi spessi o molto ricchi di fibra.
È questo il processo delle cover Fibernium?
Questo dossier descrive la produzione generale della fibra di carbonio e dei compositi. Le schede prodotto indicano il materiale di ogni cover; non descrivono il processo industriale, quindi qui non affermiamo nulla in merito.