Sviluppo e applicazione del carbonio a base PAN
2024-06-26 13:25
La fibra di carbonio a base di poliacrilonitrile (PAN) è un materiale ad alte prestazioni ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, edile, sportivo, automobilistico e medico. Questo articolo esamina la storia dello sviluppo e lo stato attuale della fibra di carbonio a base PAN a livello nazionale e internazionale, la sua preparazione, struttura, proprietà e applicazioni. Discute inoltre gli standard pertinenti e i metodi di prova e offre una prospettiva futura.
Introduzione alla fibra di carbonio a base PAN
La fibra di carbonio è un materiale avanzato noto per le sue proprietà meccaniche superiori. Combina le caratteristiche intrinseche del carbonio con la flessibilità e la lavorabilità delle fibre tessili, rendendolo una fibra di rinforzo essenziale. Con un peso specifico inferiore a un quarto dell'acciaio e una resistenza alla trazione generalmente superiore a 3500 MPa, i compositi in fibra di carbonio offrono una resistenza 7-9 volte quella dell'acciaio e un modulo elastico compreso tra 23.000 MPa e 43.000 MPa. Queste proprietà rendono la fibra di carbonio un materiale promettente nelle applicazioni ingegneristiche.
Le fibre di carbonio a base PAN, derivate da poliacrilonitrile, asfalto o viscosa, subiscono processi come preossidazione, carbonizzazione e grafitizzazione, risultando in fibre con oltre il 90% di contenuto di carbonio. Queste fibre presentano, tra le altre proprietà, elevata resistenza, alto modulo, bassa densità, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, resistenza all'attrito, conduttività e bassa dilatazione termica. La fibra di carbonio a base PAN è la più utilizzata e rappresenta oltre il 90% della produzione grazie al suo semplice processo di produzione e alle eccellenti prestazioni complete.
1. Stato di sviluppo della fibra di carbonio a base PAN
1.1 Sviluppo internazionale
Lo sviluppo della fibra di carbonio a base PAN iniziò nel 1959 quando il giapponese Akio Shindo brevettò un processo per produrre fibre di carbonio ad alte prestazioni dal poliacrilonitrile. Oggi, la produzione di fibra di carbonio a base PAN è dominata dalle fibre di traino grandi provenienti dagli Stati Uniti e dalle fibre di traino piccole provenienti dal Giappone, che rappresentano circa l’80% dell’offerta globale. I principali produttori come Toray, Toho e Mitsubishi in Giappone guidano il mercato, con Toray che è il più grande produttore di fibra di carbonio a base PAN a livello globale.
1.2 Sviluppo interno
La Cina ha iniziato la ricerca sulla fibra di carbonio negli anni ’60, ottenendo progressi lenti ma costanti. Nonostante lo sviluppo di prodotti vicini al livello del T-300 di Toray, la capacità di produzione interna rimane limitata. Negli ultimi anni, aziende come Anhui Huawan Carbon Fiber hanno avviato la produzione industriale, ma la maggior parte della domanda cinese di fibra di carbonio viene soddisfatta attraverso le importazioni, limitando in modo significativo le industrie correlate.
2. Preparazione, struttura e prestazioni della fibra di carbonio a base PAN
2.1 Processo di preparazione
Le fibre di carbonio a base PAN sono realizzate da fibre di poliacrilonitrile, omopolimero o copolimero, attraverso processi che coinvolgono polimerizzazione, filatura, preossidazione, carbonizzazione e grafitizzazione. La produzione prevede la conversione della resina poliacrilonitrilica in fibre, che vengono poi trattate per migliorarne le prestazioni e la stabilità.
2.2 Struttura
Le fibre di carbonio presentano a"disordinato"struttura di microcristalli di grafite impilati lungo l'asse della fibra, influenzandone le prestazioni. La spaziatura tra gli strati e la presenza di vuoti influenzano le proprietà della fibra.
2.3 Caratteristiche prestazionali
Le fibre di carbonio possiedono proprietà uniche come elevata resistenza alla trazione, alto modulo, bassa densità, resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione. Presentano inoltre un'eccellente resistenza alla fatica, bassa dilatazione termica, buona conduttività e biocompatibilità.
3. Applicazioni della fibra di carbonio a base PAN
3.1 Aerospaziale
Grazie al loro elevato rapporto resistenza/peso e alla rigidità, i compositi in fibra di carbonio a base PAN sono cruciali nelle applicazioni aerospaziali, inclusi missili, razzi, satelliti e aerei.
3.2 Attrezzature sportive e mediche
I compositi in fibra di carbonio sono ampiamente utilizzati nelle attrezzature sportive come mazze da golf, racchette da tennis e biciclette, nonché negli impianti e nei dispositivi medici.
3.3 Industria generale
Nell'industria automobilistica, le fibre di carbonio vengono utilizzate nei telai dei veicoli, nei pistoni e nei sistemi frenanti. Svolgono un ruolo importante anche nell’energia eolica, nell’elettronica e nelle infrastrutture, migliorando la resistenza e la durata di vari componenti.
4. Standard per fibra di carbonio a base PAN
La Cina ha stabilito diversi standard per le prestazioni della fibra di carbonio e la sua applicazione nei compositi, come ad esempio:
GB/T 3362-2005: Proprietà di trazione dei filati multifilamento in fibra di carbonio.
GB 3362-1982: Metodo per testare il numero di fibre nei filati multifilamento in fibra di carbonio.
GB 3364-1982: Metodi di prova del diametro e del diametro equivalente.
GB/T 3355-2005: Test del contenuto di resina nelle plastiche rinforzate con fibra di carbonio.
Questi standard garantiscono la qualità e la coerenza dei prodotti in fibra di carbonio, facilitandone una più ampia adozione e applicazione.
5. Prospettive future
L’industria della fibra di carbonio è cruciale per le applicazioni dei materiali moderni, nella transizione dall’era dell’acciaio a una nuova era dei materiali compositi. Il ruolo della fibra di carbonio nelle tecnologie avanzate e nelle applicazioni industriali continuerà a crescere, grazie alla ricerca e allo sviluppo continui. Per raggiungere questo obiettivo, la Cina deve concentrarsi sul superamento delle sfide tecniche e sul miglioramento dei processi produttivi per ridurre la dipendenza dalle importazioni e migliorare le capacità nazionali.