Caratteristiche delle fibre di carbonio

Le fibre di carbonio

Chimicamente le fibre di carbonio sono polimeri di atomi di carbonio strutturato. Possiamo immaginarle come esagoni (che è la forma dell'atomo di carbonio) uniti insieme e poi sovrapposti a piani. Sono ottenute tramite la sintesi di prodotti derivanti dal carbonio e dal petrolio. La loro suddivisione avviene in base ai materiali di partenza, organici o inorganici e ai loro processi di fabbricazione. Sono utilizzate a creare i cosiddetti materiali compositi, formati per una parte dalle fibre di carbonio e dall'altra dalla cosiddetta matrice che in genere è di resina, ma anche un materiale plastico o metallo. La matrice serve per tenere le fibre ferme e disposte nella giusta posizione (adatta a sopportare gli sforzi a cui saranno sottoposte), proteggerle e dare la forma al manufatto.

Le caratteristiche delle fibre di carbonio

Le caratteristiche delle fibre di carbonio sono: un diametro compreso fa i 5 e i 15 μm (micrometri cioè millesimi di millimetro); esclusa l'ossidazione hanno praticamente inerzia chimica; un'altissima conducibilità termica ed elettrica; altissime flessibilità, resistenza e modulo elastico, buone proprietà ignifughe. Sono molto simili all'amianto come caratteristiche generali, ma non ne presentano i gravi rischi per la salute che invece quest'ultimo genera. I procedimenti con cui si formano sono due: la modificazione di fibre organiche oppure dai residui della distillazione del catrame e del petrolio, nel primo caso assumono la nomenclatura di PAN e nel secondo di PITCH. La sigla PAN indica la fibra di poliacrilonitrile che potremmo definire "la madre di tutte le fibre di carbonio", ottenuta dalla polimerizzazione dell'acrilonitrile.

Utilizzi delle fibre di carbonio

Il pitch, chiamato anche pece o residuo catramoso, è ciò che rimane dalla distillazione del catrame o del petrolio ed è formato da migliaia di idrocarburiaromatici. Processi chimici che in questa sede non analizzeremo, orientano le molecole lungo l'asse della fibra, a formare una struttura i cui fogli sono disposti a caso o ripiegati. Lo scopo principale nell'utilizzo delle fibre di carbonio è formare materiali compositi rinforzati dalla loro presenza, tra i quali troviamo quelli a matrice polimerica ad alte ed altissime prestazioni, denominati Fiber Reinforced Polymer; abbreviato con l'acronimo FRP. Si usano in aeronautica e in astronautica, ma anche nel restauro strutturale e per adeguare staticamente le strutture in muratura o in cemento armato, soprattutto quando costruite in zone sismiche.

Le fibre di carbonio nell'edilizia

Le caratteristiche delle fibre di carbonio le rendono un materiale con molte applicazioni, anche in edilizia: sono utili per le loro particolari caratteristiche meccaniche e le prestazioni, come: la grande resistenza allo strappo, anche in presenza di supporti non omogenei e su superfici non piane; l'alta resistenza chimica; la grande resistenza alla corrosione; lo scarso assorbimento di acqua, anche in ambienti umidi; lo spessore estremamente contenuto abbinato ad un peso veramente irrisorio. Per queste caratteristiche trovano impiego laddove si debba intervenire per aumentare la portanza di solai o travi; per rinforzare, nel caso dei miglioramenti antisismici, senza aumentare i pesi, ma al contempo migliorando la resistenza alla compressione e determinando un aumento della duttilità dell'intera struttura. Infine, per rinforzare strutture lesionate.

Domande frequenti

Quali sono le principali caratteristiche tecniche delle fibre di carbonio?

Le fibre di carbonio sono polimeri strutturati a base di atomi di carbonio disposti in esagoni sovrapposti. Tecnicamente, presentano un diametro microscopico tra 5 e 15 micrometri, offrendo un'inerzia chimica quasi totale (se non ossidate), un'elevata conducibilità termica ed elettrica, e un modulo elastico eccezionale. Sono flessibili, resistenti e dotate di buone proprietà ignifughe. A differenza dell'amianto, pur avendo caratteristiche superficiali simili, non comportano rischi sanitari gravi, rendendole sicure per l'impiego umano.
Come vengono classificate le fibre di carbonio in base alla materia prima?

La classificazione dipende dai materiali di partenza e dai processi di fabbricazione. Si distinguono principalmente due tipi: le fibre PAN (da Poliacrilonitrile), considerate le più comuni e derivate dalla polimerizzazione dell'acrilonitrile, e le fibre PITCH (da Pece o Pitch), ottenute dai residui della distillazione del catrame o del petrolio. Entrambe le tipologie vengono poi integrate in una matrice, spesso resinosa o plastica, per formare materiali compositi pronti all'uso.
In che modo le fibre di carbonio contribuiscono al miglioramento antisismico degli edifici?

Nell'edilizia, le fibre di carbonio sono fondamentali per il rinforzo strutturale antisismico perché permettono di aumentare significativamente la resistenza alla compressione e la duttilità della struttura senza appesantirla. Grazie al loro peso irrisorio e allo spessore minimo, possono essere applicate su solai, travi e muri esistenti per adeguarli alle norme sismiche moderne. Questo intervento migliora la capacità portante e la sicurezza statica, intervenendo anche su strutture già lesionate o in zone vulnerabili.
Cosa sono i materiali compositi FRP e a cosa servono?

I materiali compositi FRP (Fiber Reinforced Polymer) sono prodotti ottenuti combinando fibre di carbonio con una matrice legante, tipicamente polimerica o resinosa. La matrice tiene le fibre in posizione, le protegge e trasferisce gli sforzi. Questi materiali offrono prestazioni elevate, unendo la resistenza meccanica delle fibre alla lavorabilità della resina. Vengono utilizzati in settori avanzati come aerospaziale, ma anche in edilizia per il restauro strutturale, grazie alla loro leggerezza e durabilità.
Perché le fibre di carbonio sono indicate per il restauro strutturale?

Le fibre di carbonio sono ideali per il restauro grazie alla loro elevata resistenza allo strappo, anche su superfici irregolari, e alla forte resistenza chimica e alla corrosione. Assorbono pochissimo acqua, mantenendo le proprietà anche in ambienti umidi. Inoltre, il loro spessore ridotto e il peso trascurabile permettono di rinforzare elementi strutturali compromessi o lesionati senza alterare l'estetica o il carico statico dell'edificio, garantendo interventi minimamente invasivi ma altamente efficaci.