I materiali in fibra di carbonio stanno guadagnando popolarità grazie alla loro vasta gamma di applicazioni in aerospaziale, automobilistico, trasporto ferroviario, dispositivi medici di fascia alta e attrezzature sportive. Le sue proprietà ad alta resistenza hanno portato nuove speranze per lo sviluppo in molti settori. La fibra di carbonio può essere classificata in tipi a base di petrolio e bio. Al momento, la fibra di carbonio a base di petrolio ha prestazioni superiori e un volume di produzione più elevato rispetto alla fibra di carbonio a base biologica, ma quest'ultimo ha ancora un potenziale significativo.
La fibra di carbonio a base di petrolio domina il mercato
I prodotti in fibra di carbonio a base di petrolio sono attualmente i leader di mercato. Questi includono fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile (PAN), a base di viscosa. Le fibre di carbonio a base di PAN rappresentano oltre il 90%della produzione totale di fibre di carbonio, le fibre a base di pitch rappresentano circa il 7%e le fibre a base di viscosa rappresentano circa l'1%. Questa differenza è principalmente dovuta alle differenze nelle prestazioni e alla difficoltà di elaborazione. La fibra di carbonio a base di pan è il prodotto dominante sul mercato e la pietra angolare della posizione di mercato della fibra di carbonio a base di petrolio.
La fibra di carbonio è un incredibile filamento sottile fatto di cristalli di carbonio quasi puri con un diametro di micrometri 5 - 10. Ha cinque volte la resistenza meccanica e il doppio della durezza dell'acciaio. La fibra di carbonio era originariamente realizzata con materiali a base vegetale come cellulosa e rayon, ma in seguito è stata sostituita da prodotti a base di petrolio a causa del loro costo inferiore e delle prestazioni migliori.
Per produrre fibra di carbonio, il petrolio viene prima elaborato in una padella altamente tossica. Viene disegnato in filamenti raffinati e quindi riscaldato in forni senza ossigeno. Tuttavia, questo processo di produzione consuma notevole energia e genera numerose emissioni e tossine. A differenza del passato quando il costo era la preoccupazione principale, la sostenibilità è ora più critica e il petrolio non è più così economico.
Perché sviluppare fibra di carbonio a base biologica?
Rispetto alle fibre a base di PAN, la fibra di carbonio a base biologica ha prestazioni di fascia media a fascia bassa. Allora perché svilupparlo? Ciò richiede la comprensione degli svantaggi della fibra di carbonio a base di petrolio.
La produzione di fibra di carbonio a base di petrolio è ad alta intensità di energia, produce sostanze dannose e danneggia l'ambiente. Inoltre, i prodotti in fibra di carbonio sono difficili da riciclare, con conseguenti costi di produzione elevati e difficoltà di post-elaborazione. Per ridurre i costi di produzione e la dipendenza dalle materie prime fossili, la ricerca sui precursori in fibra di carbonio a base biologica sta guadagnando attenzione. Ad esempio, la lignina, la glicerina e gli zuccheri lignocellulosici vengono esplorati come materie prime alternative.
La protezione ambientale è una questione globale urgente e un consenso tra tutti i paesi. Sebbene i materiali in fibra di carbonio abbiano evidenti vantaggi, non sono rispettosi dell'ambiente. Pertanto, gli scienziati stanno cercando soluzioni e la "neutralità del carbonio" è diventata una forza trainante per lo sviluppo della fibra di carbonio a base biologica. La fibra di carbonio a base di petrolio non può sostituire la fibra di carbonio a base biologica e, in futuro, entrambi i tipi si svilupperanno in parallelo. La chiave è quale direzione vedrà maggiori scoperte e risultati.
