Fibre di carbonio sostenibili di nuova generazione: versatili, performanti ed economiche
La catalisi rende competitive le fibre di carbonio a base biologica
Nei serbatoi di idrogeno, nelle batterie, nelle celle a combustibile o per schermare i dispositivi elettronici sensibili, le fibre di carbonio sono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni avanzate. Presso il Parco Scientifico di Potsdam, l'Istituto Fraunhofer per la Ricerca Applicata ai Polimeri IAP, in collaborazione con l'Università di Tecnologia di Brandeburgo Cottbus-Senftenberg, sta sviluppando nuove fibre di carbonio a base di cellulosa. Queste fibre combinano diversità strutturale, elevate prestazioni elettriche, termiche e meccaniche con la sostenibilità. Il progetto fa parte del Carbon Lab Factory Lausitz ed è finanziato dal Ministero federale tedesco per gli Affari economici e l'Energia. È sostenuto in modo intensivo dalla Wirtschaftsregion Lausitz GmbH.
Non solo costruzioni leggere: le fibre di carbonio per applicazioni alternative ad alta tecnologia
Le fibre di carbonio tradizionali, come quelle utilizzate nelle costruzioni leggere, sono solitamente prodotte a partire dal polimero poliacrilonitrile (PAN), derivato dal petrolio. La loro produzione è complessa, ad alta intensità di energia e risorse e genera grandi quantità di sottoprodotti tossici. Le fibre di carbonio a base di pece, un altro tipo di fibra derivata dal petrolio con eccellenti proprietà elettriche e termiche, sono molto impegnative dal punto di vista tecnico e costose da produrre.
Il Fraunhofer IAP sta affrontando queste sfide con una nuova generazione di fibre di carbonio ad alte prestazioni, biobased e sostenibili. Esse combinano la variabilità strutturale con proprietà personalizzabili e un interessante profilo ambientale ed economico. Le loro applicazioni vanno ben oltre le costruzioni leggere per l'aerospazio, la difesa, l'energia eolica o la medicina: come componenti di batterie e celle a combustibile, possono servire come tessuti conduttivi elettrici e termici, chimicamente stabili. Sono inoltre ideali per la schermatura di componenti elettronici sensibili.
Alta variabilità grazie a processi di filatura e additivi
L'approccio innovativo del Fraunhofer IAP utilizza la cellulosa come materia prima rinnovabile per i precursori - il materiale di partenza per le fibre di carbonio. Le fibre dei precursori possono essere filate in filamenti continui utilizzando tecnologie di filatura industriali consolidate, come i processi di viscosa o Lyocell, nonché metodi di modellazione alternativi. Additivi come la lignina, che come la cellulosa deriva dal legno, possono essere incorporati direttamente nella soluzione di filatura, aumentando significativamente la resa di carbonio durante la successiva conversione in fibre di carbonio.
Un vantaggio fondamentale della cellulosa è che la struttura delle fibre precursori - e quindi delle fibre di carbonio risultanti - può essere controllata con precisione attraverso il processo di filatura e i parametri selezionati. Ciò si traduce in vari gradi di orientamento e cristallinità, nonché in sezioni trasversali delle fibre, ad esempio rotonde, ovali o lobulate. Quest'ultima offre un'area superficiale specifica particolarmente elevata ed è quindi adatta all'uso in strutture conduttive e porose per elettrodi permeabili nelle batterie a flusso redox o per strati di diffusione del gas nelle celle a combustibile.
La catalisi rende competitive le fibre di carbonio biobased
Le fibre di cellulosa filate senza fine passano poi attraverso un bagno acquoso contenente additivi funzionali o catalizzatori. Questa fase attiva il materiale per la successiva conversione termica in fibre di carbonio. In questo caso, la fibra di cellulosa ha un vantaggio speciale: si comporta come una spugna, assorbendo efficacemente gli additivi dal bagno. Il sistema di catalizzatori e additivi sviluppato dal Fraunhofer IAP abbassa la temperatura di carbonizzazione di oltre 1.000 °C, accelera il processo e aumenta la resa dal 15 al 45% in peso.
Ottimizzando in modo specifico i parametri di processo - come la temperatura, il tempo di permanenza o lo stiramento meccanico - durante la carbonizzazione, è possibile ottenere diametri delle fibre ben al di sotto dei quattro micrometri. Questo è particolarmente importante per le celle a combustibile. A titolo di confronto, le fibre commerciali misurano in genere circa sette micrometri di diametro.
Prestazioni elevate personalizzate - meccaniche, elettriche, termiche
La combinazione delle tecnologie di filatura, attivazione e carbonizzazione consente di sviluppare tipi di fibre personalizzate per un'ampia gamma di applicazioni. Il Dr. Jens Erdmann, esperto di fibre di carbonio a base biologica presso il Fraunhofer IAP, sottolinea: "Le nostre fibre di carbonio combinano elevate prestazioni tecniche con la sostenibilità: le loro proprietà meccaniche sono paragonabili a quelle delle fibre di carbonio PAN ad alto modulo a base di petrolio - in altre parole, a quelle delle fibre di carbonio ad alte prestazioni. Presentano inoltre proprietà elettriche e termiche simili a quelle delle fibre a base di pece".
Carbon Lab Factory Lausitz: un ponte verso la scala industriale
Le prove su scala pilota condotte presso il Fraunhofer IAP dimostrano il grande potenziale di questa tecnologia, che ora verrà ampliata nell'ambito dell'iniziativa "Carbon Lab Factory Lausitz". La nuova infrastruttura coprirà l'intera catena del valore - dalla materia prima alla fibra di carbonio fino ai componenti tecnici - in Germania. L'iniziativa è stata lanciata in collaborazione con la TU Chemnitz e l'Istituto di progettazione leggera e gestione del valore aggiunto della BTU Cottbus-Senftenberg ed è un progetto inter-federale tra la Sassonia e il Brandeburgo. Sostiene lo sviluppo di un'infrastruttura di ricerca unica a livello mondiale per le fibre di carbonio e quindi la trasformazione strutturale della regione di Lausitz.
La sostenibilità incontra le alte prestazioni: una domanda crescente
"Vediamo chiaramente che l'interesse per i materiali sostenibili è in costante aumento", afferma Erdmann. "Ma i vantaggi ecologici da soli non bastano per avere successo sul mercato: anche le prestazioni economiche sono fondamentali. È proprio qui che entriamo in gioco noi: siamo riusciti a combinare la responsabilità ecologica con le prestazioni tecniche e l'efficienza dei costi. La capacità di personalizzare e adattare in modo flessibile le proprietà delle nostre fibre apre nuovi campi di applicazione e chiari vantaggi competitivi: un passo decisivo verso la redditività economica."
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