Fibre di carbonio dalla biomassa

Circa l’80 percento delle fibre di carbonio (CF) attualmente sul mercato utilizzano poliacrilonitrile (PAN) quale materia prima di partenza, a causa delle sue qualità superiori in confronto alle CF basate sulla pece. Tuttavia, le CF prodotte a partire dal PAN sono costose, e questo limita il loro impiego al settore dell’aeronautica, a quello militare e ad altri settori che hanno bisogno di materiali ad alte prestazioni e accettano pertanto i loro costi elevati.
Il progetto europeo CARBOPREC ha affrontato questa sfida sviluppando precursori a basso costo per CF nanostrutturate a partire da materiali rinnovabili ampiamente disponibili in Europa.
“Lignina e cellulosa rinforzate da nanotubi di carbonio – afferma Célia Mercader, responsabile del progetto – sono usate per produrre CF economicamente vantaggiose con prestazioni medie per impieghi destinati al mercato di massa, come per le automobili e le pale delle turbine eoliche”.
Accanto alla cellulosa, la lignina è il più abbondante polimero derivato dalle piante al mondo. I partner del progetto hanno ottenuto lignina di elevata purezza utilizzando dei solventi organici per scomporre il legno dolce, che è stato poi filato in una miscela con polimeri termoplastici per ottenere fibre basate sulla lignina. I ricercatori hanno studiato due processi con fibre bianche per la produzione di fibre continue. Il primo prevede un approccio con filatura ad umido per la cellulosa dissolta in acido fosforico; il secondo utilizza la filatura a fusione mediante estrusione per la lignina. Lo studio del processo di carbonizzazione e delle differenti fasi di funzionalizzazione ha portato a una migliore resa della carbonizzazione e ha aggiunto valore attraverso le CF sviluppate negli impieghi finali mirati.
Le CF ottenute dal precursore ricavato dalla cellulosa possedevano le proprietà meccaniche desiderate e questo le rendeva adatte per i procedimenti associati, che prevedevano la filatura ad umido della cellulosa e la carbonizzazione. La squadra ha sviluppato un nuovo reattore, pompa e pacchetto per la filatura della cellulosa che sono stati installati in strutture della Canoe (un centro specializzato nello sviluppo di prodotti finiti e semilavorati nel settore dei compositi e dei materiali avanzati), rendendo possibile la dissoluzione della cellulosa in acido fosforico con nanotubi di carbonio.
Una domanda di brevetto è stata presentata per il processo di carbonizzazione e il tessuto carbonizzato utilizzato per fabbricare le parti del dimostratore, tra cui la pala di una turbina eolica usando CF da cellulosa e resina termoplastica.
“Questo dimostratore – commenta Mercader – ha mostrato un buon comportamento meccanico in confronto alla stessa parte ottenuta con fibre di carbonio da PAN. Un altro risultato fondamentale per Carboprec è stata la modellazione completa dell’analisi del ciclo vita.
Formulazioni ad alta purezza basate su cellulosa e lignina hanno consentito una dispersione omogenea dei nanotubi di carbonio nel polimero. L’ottimizzazione del processo di carbonizzazione ha incrementato la resa della cellulosa fino a un massimo del 25 percento e del 40 percento per la lignina. La sostituzione della fase di ossidazione con la fase di trattamento al plasma ha semplificato il processo di produzione e ha migliorato la resistenza alla trazione delle CF.
Carboprec ha migliorato lo sfruttamento commerciale dei risultati dalla R&S, che possono essere applicati a molti settori, inclusi quelli che si occupano di automobili, nano-compositi, edifici, energia, biomateriali e biotessili.
“Carboprec aiuterà l’industria a rispettare le nuove norme dell’UE relative alle emissioni dei veicoli – fa notare Mercader – utilizzando parti in compositi a basso costo per ridurre il peso delle automobili, rendendo possibile la fabbricazione di pale più lunghe per le turbine eoliche che sono sia leggere che rigide, e che catturano in tal modo più energia”.