ITMI20111372A1 - Processo di produzione di fibre di carbonio e impianto per la attuazione di tale processo. - Google Patents

Description

PROCESSO DI PRODUZIONE DI FIBRE DI CARBONIO E IMPIANTO PER LA ATTUAZIONE DI TALE PROCESSO

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un processo migliorato per la fabbricazione di fibre di carbonio.

CAMPO DELL’INVENZIONE

Le fibre di carbonio (CF) – scoperte per la prima volta da Edison nel 1879 con la carbonizzazione di un filo di cotone, nella ricerca di un filamento adatto per lampade ad incandescenza – sono comparse sul mercato solo nel 1960 mediante un procedimento di fabbricazione messo a punto da William Watt per la Royal Aircraft in UK a partire dalla trasformazione di una fibra di poliacrilonitrile (PAN).

Le fibre di carbonio sono costituite da sottili filamenti, continui o di lunghezza predeterminata (fiocco), del diametro di 5-10 µm, composti principalmente da atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio sono reciprocamente legati in una matrice cristallina, in cui i singoli cristalli sono allineati, in maggiore o minor misura, lungo l’asse longitudinale della fibra, conferendo così alla stessa una resistenza straordinariamente elevata rispetto alle dimensioni.

Diverse migliaia di fibre di carbonio vengono poi unite reciprocamente per formare un filo o uno stoppino e questo può poi essere utilizzato tal quale o lavorato a telaio per formare un tessuto. Il filato o il tessuto così ottenuti vengono impregnati con resine, tipicamente resine epossidiche, e quindi formati in stampo per ottenere manufatti compositi di elevate leggerezza e resistenza.

Le fibre di carbonio rappresentano il punto di transizione tra le fibre organiche e le fibre inorganiche; esse infatti vengono prodotte a partire da fibre organiche che vengono modificate mediante trattamenti termici e pirolisi, durante i quali si determina dapprima un riorientamento dei segmenti molecolari all’interno delle singole fibre e successivamente, alle temperature più elevate, l’eliminazione dell’ossigeno, dell’idrogeno e di gran parte dell’azoto, così che la fibra finale à ̈ composta per oltre il 90% e fino al 99% da carbonio e per il resto da azoto.

Assieme a quella delle fibre di vetro, la disponibilità sul mercato delle fibre di carbonio ha dato inizio all’impiego su scala sempre più vasta dei materiali compositi. Con l’impiego delle fibre di carbonio, in particolare, à ̈ stato possibile mettere a punto materiali compositi aventi prestazioni meccaniche avanzate per impieghi inizialmente di tipo militare e/o aeronautico, considerato l’elevato costo di questo materiale, ed in seguito – al migliorare delle tecniche di produzione con conseguente riduzione dei costi – anche per prodotti dell’industria dell’energia (serbatoi in pressione, pale di generatori eolici, pile a combustibile, piattaforme offshore), dei trasporti (treni, macchine, barche) e del tempo libero (attrezzi e mezzi per la pratica dello sport). Mentre per quest’ultimo settore di applicazione il mercato appare già oggi completamente sviluppato, nel settore aeronautico e, soprattutto, in quello industriale, si prevede nel prossimo quinquennio un forte incremento della domanda e quindi la necessità di ampliare il parco esistente di impianti di produzione.

Attualmente le fibre di carbonio vengono prodotte per modificazione di fibre artificiali (industrialmente rayon, sperimentalmente lignina) o sintetiche (poliacrilonitrile per almeno il 90% della produzione mondiale, ma anche PBO e, sperimentalmente altre fibre termoplastiche) oppure di residui della distillazione del petrolio o del catrame (peci). Le prime sono tradizionalmente denominate fibre di carbonio da PAN, mentre le seconde fibre di carbonio da peci (pitch). Spesso quest’ultimo tipo di fibre viene impropriamente indicato come “fibre di grafite†, anche se ovviamente non si tratta di fibre ottenute da grafite, per sottolineare il fatto che quando dette fibre vengono sottoposte ad un trattamento termico al di sopra di 2000°C, esse presentano infine una disposizione degli atomi di carbonio assai simile a quella tipica della grafite ed una sostanziale assenza di altri elementi nel reticolo.

Nel caso delle fibre di carbonio da PAN, settore nel quale si colloca la presente invenzione, la fibra di poliacrilonitrile di partenza (il cosiddetto precursore) deve essere caratterizzata da una composizione chimica adeguata, da un particolare orientamento molecolare e da una determinata morfologia, affinché dalla stessa si possa ottenere una fibra di carbonio finale con caratteristiche soddisfacenti. La composizione chimica à ̈ importante anche al fine di controllare il livello esotermico della reazione di ciclizzazione dei —CN, pari a 18kcal/mole, reazione che costituisce la prima fase di lavorazione della fibra di poliacrilonitrile. Negli impianti di derivazione tessile, il precursore é tipicamente prodotto su larga scala e le singole fibre vengono raccolte in fasci o stoppini contenenti fino a 300.000 filamenti singoli; gli stoppini di più piccole dimensioni prodotti in questo tipo di impianti contengono, per esempio, 48.000 filamenti (cosiddetti 48K). Parallelamente, esistono impianti nati specificamente per la fabbricazione di stoppini di bassa denaratura, dove la produzione avviene su piccola o media scala con produzione di stoppini da 1K, 3K, 6K e 12K. In questo caso i singoli stoppini possono essere riuniti reciprocamente per formare stoppini di dimensioni maggiori, per esempio di 24K o 48K, al termine del processo di carbonizzazione. Le fibre di carbonio prodotte nel primo tipo di impianti hanno un costo di produzione più basso, dato dall’elevata capacità produttiva degli stessi, ma presentano un minor grado di regolarità, e sono quindi più indicate per gli usi industriali. Le fibre di carbonio prodotte nel secondo tipo di impianti sono invece più regolari e sono maggiormente gradite dall’industria aeronautica, dove vi à ̈ già un’abitudine consolidata di utilizzare stoppini di fibre di carbonio di dimensioni più ridotte.

La reazione di ciclizzazione delle fibre di PAN costituisce, come sopra detto, la prima fase del processo di carbonizzazione. Essa viene condotta in aria, a 200-295 C° (220-275 °C nella pratica corrente) per alcune ore, e porta ad un materiale ignifugo di colore nero, il cosiddetto PAN ossidato, che presenta proprietà meccaniche abbastanza modeste ed à ̈ destinato, tal quale, alla produzione di abbigliamento protettivo, di ovatte ignifughe o, in compositi carbonio-carbonio, di freni ad elevate prestazioni (per aerei, macchine da corsa e treni ad alta velocità).

Durante la fase di ciclizzazione a 200-295 °C à ̈ molto importante controllare la retrazione della fibra, in quanto in questa fase viene determinato l’allineamento dei segmenti molecolari lungo l’asse della fibra, orientamento da cui dipende il modulo elastico finale della fibra di carbonio. L’orientamento molecolare impartito alla fibra acrilica originale influenza la tenacità ed il modulo elastico della fibra di carbonio finale; il grado di orientamento non deve tuttavia essere eccessivamente elevato perché si introducono in questo caso difetti, sia superficialmente che all’interno della fibra.

La fibra di PAN così ossidata viene quindi sottoposta ad un processo successivo di carbonizzazione, generalmente condotto in atmosfera inerte, durante il quale avviene la rimozione degli atomi estranei alla struttura carbonica con sviluppo della struttura grafitica finale. Il processo di carbonizzazione avviene generalmente in due stadi: un primo stadio a bassa temperatura (350-950 °C, 400-900 °C nella pratica corrente) e un secondo stadio ad alta temperatura (1000-1800 °C, 1000-1450 °C nella pratica corrente). Durante tutte le fasi del processo di carbonizzazione si sviluppano dunque HCN, NH3e N2e possono svilupparsi anche CO, CO2e H2O in funzione della quantità di O2che la fibra di PAN ha legato durante il trattamento di ciclizzazione a 200-295 °C in aria. Dopo il trattamento a oltre 1000 °C la fibra di PAN si à ̈ trasformata in una fibra di carbonio contenente circa il 95% di carbonio e il 5% di azoto. Durante il processo di carbonizzazione la fibra subisce un ritiro trasversale che comporta una riduzione del diametro con perdita di circa il 50% del proprio peso iniziale; viene invece quasi del tutto contrastato meccanicamente il corrispondente ritiro longitudinale, con conseguente sviluppo di un maggior orientamento molecolare che contribuisce al miglioramento delle proprietà meccaniche.

A valle di questo processo à ̈ possibile prevedere un ulteriore trattamento di pirolisi a temperature comprese tra 2000 e 2600°C, ovviamente sempre in assenza di gas reattivi, che prende il nome di processo di grafitizzazione, durante il quale viene espulsa la residua percentuale di azoto e il contenuto di carbonio delle fibre sale ad oltre il 99%. Le fibre di carbonio che hanno subito questo ulteriore trattamento presentano caratteristiche meccaniche ancora migliori, a prezzo tuttavia di un costo assai più elevato, e vengono quindi riservate ad impieghi speciali.

Al termine del processo di carbonizzazione, le fibre di carbonio vengono sottoposte ad un trattamento superficiale di pulizia e di attacco di gruppi funzionali, con lo scopo di facilitare l’adesione delle fibre alla matrice resinosa nella successiva formazione di materiali compositi; molti produttori utilizzano a questo scopo un processo di ossidazione elettrolitica. Infine, sulla fibra così trattata viene applicato un rivestimento di finitura, avente lo scopo di minimizzare i danni derivanti dall’avvolgimento in bobina e di migliorare ulteriormente l’adesione della fibra alla matrice di resina nella quale à ̈ destinata ad essere inglobata.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

Le fibre di carbonio vengono attualmente prodotte secondo uno schema di processo a due fasi, tra di loro completamente separate. In una prima fase del processo – spesso svolta in un impianto fisicamente distante da quello dove viene svolta la seconda fase del processo – viene infatti prodotto il filato di PAN precursore, in impianti concettualmente derivati da quelli della tradizionale filatura per scopi tessili, con l’introduzione di alcune varianti per ottenere un filato finale avente le caratteristiche più adatte per la successiva fase di carbonizzazione. In particolare si tratta di impianti di filatura ad alta velocità, che presentano velocità di uscita della fibra fino a 150 m/min (processo “wet spinning†), fino a 500 m/min (processo “dry jet wet spinning†) o fino a 1000 m/min (processo “dry spinning†), le velocità più basse essendo dunque tipiche della filatura in bagno di solvente e quelle più elevate della filatura a secco. Il filato così prodotto viene avvolto in bobine del peso fino a 500 kg che vengono poi immagazzinate e quindi avviate agli impianti dove si svolge la seconda fase del processo e cioà ̈ quella di carbonizzazione. Impianti di filatura di questo tipo trattano normalmente un numero di stoppini non superiore a 50, per limitare la riduzione di efficienza dell’impianto stesso in caso di rotture di stoppini, rotture che possono richiedere la fermata temporanea dell’intero impianto per la loro riparazione.

Nella seconda fase del processo vengono invece effettuati i trattamenti a caldo del precursore, per ottenerne la ciclizzazione, la carbonizzazione ed eventualmente la grafitizzazione. Tale seconda fase del processo viene effettuata in un impianto che comprende una cantra iniziale di grosse dimensioni, sulla quale vengono installate le bobine di fibra di precursore provenienti dagli impianti di filatura, a valle della quale sono disposti i forni di ossidazione, di carbonizzazione ed, eventualmente, di grafitizzazione. Poiché questi processi termici richiedono tempi di residenza abbastanza lunghi, al fine di contenere le dimensioni dell’impianto in limiti industrialmente accettabili la velocità di trattamento delle fibre di carbonio in questa seconda fase del processo à ̈ molto più bassa che nella fase di filatura, per esempio compresa tra 5 e 20 m/min e il numero di stoppini contemporaneamente trattati à ̈ corrispondentemente più elevato, tipicamente fino a 600 stoppini.

PROBLEMA E SOLUZIONE

Il processo di fabbricazione delle fibre di carbonio à ̈ stato concepito sin dal suo inizio nella versione a due fasi separate, e mantenuto in tale forma in tutti i suoi successivi sviluppi, a causa della palese incompatibilità dei parametri di velocità e di portata delle due fasi del processo. Considerato infatti che un impianto di filatura tradizionale può produrre contemporaneamente fino ad un massimo di 50 stoppini, sarebbe stato teoricamente necessario affiancare ben 6 linee di filatura per alimentare direttamente un unico impianto di carbonizzazione; poiché tuttavia ogni linea di filatura tradizionale ha dimensioni assai rilevanti (per esempio una lunghezza fino a 100 m), una tale soluzione avrebbe comportato la disposizione, evidentemente inattuabile dal punto di vista impiantistico, di 6 impianti di filatura convergenti in un’unica alimentazione dell’impianto di carbonizzazione.

D’altra parte una tale soluzione sarebbe stata anche scarsamente efficiente dal punto di vista economico, dal momento che ognuna delle 6 linee di filatura avrebbe dovuto funzionare ad una velocità molto bassa, e cioà ̈ identica a quella della fase di carbonizzazione, e quindi con un rapporto tra costi di impianto e produttività del tutto inadeguato.

Il processo a due fasi separate si à ̈ dunque imposto come una soluzione obbligata, alla luce di quanto sopra esposto, nonostante gli evidenti problemi tecnici ed economici che essa presenta.

Un primo rilevante inconveniente, tecnico, del processo a due fasi, deriva dall’avvolgimento su bobina degli stoppini di precursore e in particolare dalla ciclica compressione che gli stoppini subiscono in questa operazione da parte dello zetto, che infatti à ̈ causa di disomogeneità nella successiva reazione di ossidazione. Un secondo altrettanto rilevante inconveniente, economico, à ̈ anch’esso legato alle operazioni di avvolgimento su bobina degli stoppini di precursore. Questa operazione, infatti, e quelle conseguenti di immagazzinamento delle bobine, di trasporto delle stesse all’impianto di carbonizzazione, e infine di inserimento delle bobine sulla cantra di alimentazione di tale impianto, costituiscono una parte importante dei costi di installazione e di gestione di un impianto di produzione di fibre di carbonio.

Un ulteriore inconveniente delle linee tradizionali di filatura del precursore à ̈ infine quello della loro scarsa flessibilità in relazione alla produzione di stoppini con numero di filamenti ridotto rispetto a quello di progetto. Tali stoppini, infatti, a causa della necessità di un adeguato distanziamento tra gli stessi sui rispettivi rulli di trasporto, occupano, a parità di denaratura totale, una porzione maggiore della larghezza dei rulli rispetto a quella occupata da stoppini ad alta denaratura. La larghezza dei rulli di trasporto degli stoppini, per ovvii motivi tecnici ed economici, ha tuttavia dei precisi limiti dimensionali e dunque questa limitazione dimensionale implica, a parità di velocità e di tecnologia della linea, una netta riduzione della capacità di produzione della stessa quando impegnata nella produzione di stoppini a bassa denaratura.

E’ dunque uno scopo della presente invenzione quello di proporre un processo di fabbricazione di fibre di carbonio che sia esente da questi inconvenienti e che, in particolare, permetta di evitare la fase di avvolgimento su bobina del precursore prima della fase di carbonizzazione, garantendo dunque una perfetta uniformità degli stoppini in ingresso alla fase di carbonizzazione ed eliminando i costi e l’occupazione di spazi relativi alla gestione di carico/scarico delle bobine di precursore PAN tra i due impianti del processo tradizionale a due fasi.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un processo di fabbricazione di fibre di carbonio che presenti un†̃elevata flessibilità di produzione di stoppini anche a basso titolo, per esempio inferiore a 1 K, ed anche a bassa densità lineare dei filamenti, per esempio inferiore a 1 dtex.

Ancora un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un processo di fabbricazione di fibre di carbonio che mantenga un’elevata efficienza di produzione anche in presenza di rottura di uno stoppino nella fase di filatura.

Tutti gli scopi sopra indicati vengono raggiunti mediante un processo avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1 qui allegata e mediante un impianto avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 8. Nelle rivendicazioni subordinate sono definite caratteristiche aggiuntive dell’invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita della stessa, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nei disegni allegati, nei quali:

fig. 1 Ã ̈ una vista prospettica e schematica di insieme della sezione di filatura di un impianto per la produzione di fibre di carbonio secondo la presente invenzione;

fig. 2 Ã ̈ una vista prospettica di dettaglio della parte terminale della sezione di filatura di fig. 1;

fig. 3 à ̈ una vista frontale schematica che illustra, a scala ingrandita, due moduli dell’impianto di filatura di fig. 1; e

fig. 4 Ã ̈ una vista assonometrica dei due moduli illustrati in fig. 3. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PREFERITA FORMA DI ATTUAZIONE

L’obiettivo che l’inventore si à ̈ proposto di raggiungere con la presente invenzione à ̈ quello di combinare le due fasi separate del processo tradizionale di fabbricazione delle fibre di carbonio in un unico processo in linea, per ottenere così un processo nel quale la fibra di precursore PAN prodotta nella sezione di filatura potesse essere alimentata direttamente alla sezione di carbonizzazione, senza quindi la formazione di alcun tipo di polmone di accumulo di fibra di precursore PAN tra la fase di filatura e quella di ossidazione/carbonizzazione. Solo raggiungendo questo obiettivo sarebbe stato infatti possibile cogliere in modo pieno gli scopi principali dell’invenzione.

I motivi per cui questa combinazione diretta delle due fasi del processo tradizionale in un unico processo in linea non era né possibile né ipotizzabile, secondo la tecnica nota, sono stati già descritti nella parte preliminare di questa descrizione.

L’inventore della presente invenzione ha dunque deciso di allontanarsi completamente dall’approccio tradizionale ed ha messo a punto un nuovo processo di produzione di fibre di carbonio, caratterizzato, nella fase di filatura della fibra di precursore PAN, da questi fondamentali elementi innovativi:

- filatura a bassa velocità di uscita dalla fase finale di stiro, e cioà ̈ una velocità che rientra nel campo delle velocità di trattamento ammissibili nella successiva fase di ossidazione/carbonizzazione (attualmente 5-20 m/sec);

- percorso di trattamento del filato che si sviluppa in un’area molto compatta, utilizzando percorsi della fibra con andamento a zig-zag, sia in direzione orizzontale che verticale;

- impianto di filatura modulare in cui singoli moduli, accoppiabili in serie, hanno ciascuno una produttività molto bassa (2-8 stoppini) rispetto alla produttività totale del processo.

Uno schema esemplificativo di un impianto di filatura nel quale vengono incorporati gli elementi innovativi sopra riportati, e con il quale dunque può essere attuato il processo dell’invenzione, à ̈ illustrato nelle figg. 1 e 2, mentre il dettaglio dei singoli moduli di filatura à ̈ illustrato nelle figg. 3 e 4.

Come à ̈ visibile nei disegni allegati, l’impianto di filatura illustrato, che costituisce una forma di esecuzione esemplificativa e non limitativa della presente invenzione, comprende due serie di moduli di filatura, rispettivamente A e B, disposte l’una sopra l’altra e costituite ciascuna da 22 moduli di filatura M adiacenti. Ciascuno dei moduli di filatura M à ̈ per esempio in grado di produrre 8 stoppini da 12K di precursore PAN.

Il numero complessivo dei moduli M dell’impianto à ̈ determinato in base alla produttività di ogni singolo modulo e alla richiesta portata di alimentazione della sezione di carbonizzazione dell’impianto. La produttività di ogni singolo modulo M à ̈ preferibilmente inferiore al 10% della produttività totale della sezione di filatura, più preferibilmente inferiore al 5% di tale produttività totale ed ancor più preferibilmente inferiore al 2,5% di tale produttività totale.

Secondo una caratteristica particolarmente interessante della presente invenzione, i singoli moduli M che costituiscono ognuna delle serie di moduli A e B sono leggermente sfalsati l’uno rispetto all’altro in direzione trasversale, di una misura esattamente corrispondente alla larghezza complessiva finale degli stoppini prodotti da ogni modulo M che, nell’esempio illustrato, à ̈ di circa 41 mm. In questo modo gli stoppini prodotti da un modulo possono essere esattamente affiancati a quelli prodotti dai moduli successivi – senza imporre alcuna deviazione trasversale agli stessi - in modo da ottenere, al termine di ognuna delle serie di moduli A e B, un nastro continuo NA, NBformato da 8x22=176 stoppini ed avente quindi una larghezza complessiva di circa 900 mm.

Le due serie di moduli A e B sono poi tra loro sfalsate lateralmente proprio di tale distanza, in modo che il nastro di stoppini NBproveniente dalla serie di moduli B disposta superiormente possa essere affiancato a quello NAuscente dalla serie di moduli A mediante un traino a rulli R opportunamente disposto - ma anche in questo caso senza imporre alcuna deviazione trasversale ai nastri NAe NB-, così da formare un nastro continuo di stoppini avente una larghezza di 1800 mm che à ̈ una dimensione tipica di nastro utilizzata per l’alimentazione del successivo forno di ossidazione F della sezione di carbonizzazione, sezione che rimane quindi del tutto identica a quella dei processi tradizionali. E’ importante sottolineare che la completa assenza di deviazioni trasversali imposte alle fibre di precursore PAN durante il processo di filatura e quindi di trasporto verso il forno Fdi ossidazione/carbonizzazione, permette di evitare ogni disomogeneità delle stesse, disomogeneità che si tradurrebbe inevitabilmente in una struttura cristallina non regolare della fibra di carbonio e quindi in definitiva, in caratteristiche meccaniche non ottimali della stessa.

Come sopra detto, il processo di filatura avviene ad una velocità molto più bassa di quella degli impianti tradizionali e, in particolare, ad una velocità tale che il nastro di stoppini NA+ NBin uscita dalla sezione di filatura, e cioà ̈ dopo le operazioni di stiro, abbia la velocità di entrata della sezione di ossidazione F degli impianti tradizionali, e cioà ̈ una velocità tipicamente compresa tra 5 e 20 m/min.

La struttura di ogni singolo modulo di filatura M à ̈ immediatamente comprensibile dall’esame delle figg. 3 e 4 che ne rappresentano una preferita forma di esecuzione.

Nella parte inferiore di ogni modulo M à ̈ disposta una vasca di filatura 1 contenente il bagno di coagulo della fibra di PAN, nella quale sono immerse da 2 ad 8 filiere 2 affiancate lateralmente. Gli stoppini formati dai filamenti uscenti dalle filiere 2 vengono raccolti dalla vasca di filatura 1 e vengono quindi condotti in un percorso che, al contrario di quanto avviene negli impianti di filatura tradizionale, si sviluppa sia in direzione orizzontale che in direzione verticale con un percorso a zig-zag su una serie di rulli 3, 4 e 5 indipendentemente motorizzati. Nella forma di esecuzione illustrata, i percorsi rettilinei sub orizzontali che si formano tra coppie di rulli 3 contrapposti sono otto e lungo gli stessi vengono eseguite tutte le necessarie operazioni di lavaggio, stiro, essiccamento, stabilizzazione e finitura delle fibre del precursore PAN, mediante una serie di dispositivi – di struttura per sé nota ad un tecnico esperto del ramo e per questo motivo qui non descritti in dettaglio – attraverso i quali vengono fatte passare le fibre in formazione, sottoponendole contemporaneamente all’azione di soluzioni acquose di diverso tipo.

In particolare, nei primi due percorsi rettilinei tra i rulli 3, immediatamente a valle della vasca 1 di filatura, vengono effettuati i trattamenti di post-coagulazione e di pre-stiro, nei quattro percorsi intermedi successivi vengono effettuati i trattamenti di lavaggio e di stiro ad umido, mentre nei due percorsi finali vengono effettuati i trattamenti di finitura superficiale. Al termine di questa serie di trattamenti gli stoppini di fibre in formazione, che sono nel frattempo giunti in corrispondenza della sommità del modulo M vengono riportati alla base dello stesso secondo un percorso verticale rettilineo che si estende tra una prima coppia di rulli di stiro 4 ed una seconda coppia di rulli di stiro 5; la coppia di rulli 4 à ̈ riscaldata, in modo che nel passaggio sugli stessi le fibre vengano essiccate e fatte collassare (collasso = incremento di densità della fibra, sotto tensione e calore, per cedimento della possibile struttura alveolare della stessa generata dall’eliminazione del solvente).

Lungo il percorso rettilineo tra le coppie di rulli 4 e 5 à ̈ inoltre previsto un dispositivo di stiro in vapore 6 attraverso il quale le fibre vengono fatte passare per subire lo stiro finale determinato dalla differenza di velocità di rotazione tra la coppia di rulli 5 e la coppia di rulli 4. Dalla coppia di rulli 5 gli stoppini di fibre PAN vengono infine riportati nella parte alta del modulo M, in un secondo percorso rettilineo verticale attraverso un dispositivo di distensione a vapore 7, e infine da qui avviati alla sezione di ossidazione unitamente a quelli provenienti dai moduli di filatura M, precedenti e/o successivi, della stessa serie A o B.

Grazie al fatto che la filatura viene eseguita a bassa velocità, la lunghezza dei percorsi di trattamento può essere particolarmente contenuta, pur mantenendo tempi di permanenza soddisfacenti entro i singoli dispositivi di trattamento delle fibre. Questo permette di contenere le dimensioni complessive dei moduli di filatura M entro valori particolarmente bassi; a titolo di esempio, nella forma di esecuzione illustrata la dimensione longitudinale dei moduli, o più precisamente il passo tra due moduli successivi, à ̈ di 1250 mm, mentre l’altezza dei moduli stessi à ̈ inferiore a 2200 mm.

Poiché in ognuno dei moduli M si ha una produzione relativamente bassa di fibra, la larghezza dei rulli 3-5 può essere facilmente dimensionata in modo tale da alloggiare – anche nelle prime fasi di filatura dove l’ingombro delle fibre à ̈ più elevato – un maggior numero di stoppini a titolo più basso o di stoppini costituiti da filamenti a bassa densità lineare, in modo tale da poter mantenere costante la produttività complessiva di ciascun modulo M, indipendentemente dal numero di stoppini trattati e dalla densità lineare dei singoli filamenti che li costituiscono.

La lunghezza complessiva di un impianto di filatura secondo la presente invenzione é dunque di circa 30 metri, comprendendo anche un traino a rulli R che provvede all’affiancamento dei nastri NAe NBe all’alimentazione della sezione di ossidazione F. Tale lunghezza complessiva non solo à ̈ di gran lunga inferiore a quella degli impianti di filatura attualmente utilizzati, ma à ̈ anche paragonabile a quella della sola cantra di alimentazione degli impianti di carbonizzazione tradizionali. Utilizzando il processo e l’impianto secondo la presente invenzione à ̈ dunque possibile innovare il funzionamento degli impianti esistenti a costi assai ridotti e con un grande aumento di efficacia, sia dal punto di vista della qualità del prodotto finito che del costo dello stesso.

E’ evidente infatti, dalla descrizione dettagliata sopra riportata, che il processo di produzione di fibre di carbonio secondo la presente invenzione raggiunge pienamente lo scopo principale prefisso, dal momento che viene in esso completamente eliminata la fase di avvolgimento su bobina del precursore PAN, al termine della filatura, azzerando quindi radicalmente i problemi che tale avvolgimento determinava sia dal punto di vista dell’omogeneità degli stoppini, e quindi della qualità della fibra di carbonio da essi ottenuta, sia dal punto di vista dei costi di impianto e di gestione legati all’operazione di avvolgimento/trasporto/svolgimento delle bobine di precursore PAN.

Il processo di produzione di fibre di carbonio secondo la presente invenzione consente inoltre di conseguire anche gli altri scopi aggiuntivi dell’invenzione e, in particolare:

- un’efficienza fortemente aumentata in caso di rottura di uno stoppino, dal momento che non occorre in questo caso arrestare l’intera produzione della sezione di filatura, come avviene negli impianti tradizionali, ma solo quella del singolo modulo M interessato, con una minima perdita di produttività che per esempio, nella forma di esecuzione illustrata, à ̈ pari a circa il 2,3% della produttività totale;

- un’elevata flessibilità di processo, e cioà ̈ la possibilità di produrre stoppini a basso titolo o con filamenti a bassa densità lineare senza conseguenze negative sulla produttività. La modularità della soluzione tecnica proposta non pone infatti limiti sostanziali alla larghezza totale teorica della sezione di filatura, pari alla somma delle larghezze dei piccoli rulli 3-5 utilizzati in ciascuno dei moduli M - sui quali dunque la denaratura totale delle fibre trattate può essere mantenuta inalterata anche lavorando con stoppini a basso titolo o con filamenti a bassa densità lineare - generando così linee di filatura molto più efficienti rispetto alle linee tradizionali, dove la larghezza massima dei rulli rappresenta un limite per la produttività della linea quando impegnata da stoppini a basso titolo. Inoltre, la produzione di detti stoppini a basso titolo o con filamenti a bassa densità lineare può essere effettuata solo in una parte dei moduli M dell’impianto di filatura, specificamente adattati a questo scopo, migliorando così anche da questo punto di vista la flessibilità dell’impianto.

S’intende comunque che l’invenzione non deve considerarsi limitata alla particolare forma di esecuzione illustrata sopra, che costituisce soltanto una forma di esecuzione esemplificativa di essa, ma che diverse varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall’ambito di protezione dell’invenzione stessa, come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1) Processo di produzione di fibre di carbonio, del tipo comprendente una prima fase di filatura di una fibra di precursore PAN ed una seconda fase di ossidazione/carbonizzazione di detta fibra, caratterizzato da ciò che: a. dette fasi di filatura e di ossidazione/carbonizzazione vengono eseguite direttamente in linea e in continuo, e quindi senza formazione di alcun polmone di accumulo di precursore PAN tra le due fasi; b. detta fase di filatura viene eseguita a bassa velocità, così che la velocità di uscita dalla fase di filatura, a valle delle operazioni di stiro, à ̈ una velocità che rientra nel campo delle velocità di trattamento ammissibili nella successiva fase di ossidazione/carbonizzazione; c. detta fase di filatura viene eseguita in modo modulare su una pluralità di moduli di filatura (M) allineati in una o più file (A, B), ciascun modulo di filatura (M) avendo una produttività non superiore al 10% della produttività totale della fase di filatura; d. in ogni singolo modulo di filatura (M), le fibre a valle della zona di filatura seguono percorsi rettilinei a zig-zag tra rulli di rinvio e di trasporto (3-5), sia in direzione orizzontale che in direzione verticale, percorsi lungo i quali vengono effettuati i diversi trattamenti di filatura; e. gli stoppini di fibre fuoriuscenti da ciascun modulo di filatura (M) vengono affiancati agli stoppini uscenti dai moduli (M) precedenti e/o successivi, senza subire deviazioni trasversali rispetto alla loro direzione di avanzamento, per formare un unico nastro (N) di alimentazione della fase di ossidazione/carbonizzazione.
2. 2) Processo di produzione come in 1, in cui singoli moduli (M) compresi in ognuna di dette file (A, B) di moduli sono leggermente sfalsati l’uno rispetto all’altro in direzione trasversale, di una misura corrispondente alla larghezza totale finale degli stoppini prodotti da ciascun modulo (M).
3. 3) Processo di produzione come in 2), in cui dette file (A, B) di moduli (M) allineati sono reciprocamente sovrapposte e ogni fila (B) sovrapposta à ̈ complessivamente sfalsata in direzione trasversale rispetto alla fila (A) sottoposta, di una misura corrispondente alla larghezza totale finale del nastro di stoppini (NA) prodotto in detta fila (A) sottoposta.
4. 4) Processo di produzione di fibre di carbonio come in 3, comprendente inoltre un traino a rulli (R) per allineare su uno stesso piano i nastri di stoppini (NA, NB) prodotti in ciascuna di dette file (A, B) di moduli di filatura (M).
5. 5) Processo di produzione di fibre di carbonio come in 4, in cui detta velocità di uscita degli stoppini dalla fase di filatura, a valle delle operazioni di stiro, à ̈ una velocità compresa tra 5 e 20 m/sec.
6. 6) Processo di produzione di fibre di carbonio come in 4, in cui la produttività di ciascun modulo di filatura (M) non à ̈ superiore al 5%, e preferibilmente al 2,5% della produttività totale della fase di filatura del processo.
7. 7) Processo di produzione come in 4, in cui in ciascun modulo di filatura (M) comprende: a. una vasca (1) disposta nella porzione inferiore del modulo e contenente un bagno di coagulo delle fibre PAN, nella quale sono immerse da 2 ad 8 filiere (2) affiancate lateralmente; b. almeno sei percorsi rettilinei sub-orizzontali tra rulli di rinvio e di trasporto (3), in progressione dalla porzione inferiore verso la porzione superiore del modulo, lungo i quali vengono rispettivamente svolti un trattamento di post-coagulazione, un trattamento di pre-stiro, tre o più trattamenti di lavaggio e di stiro ad umido e uno o più trattamenti finali di finitura superficiale; c. due percorsi rettilinei verticali tra coppie di rulli di rinvio e di trasporto (4, 5), dalla sommità del modulo (M) fino alla base dello stesso e viceversa, lungo i quali vengono rispettivamente svolti i trattamenti di collasso e di stiro in vapore e quindi di distensione in vapore degli stoppini.
8. 8) Impianto di produzione di fibre di carbonio, del tipo comprendente una prima sezione di filatura di una fibra di precursore PAN ed una seconda sezione di ossidazione/carbonizzazione di detta fibra, caratterizzato da ciò che: a. dette sezioni di filatura e di ossidazione/carbonizzazione sono installate con un collegamento diretto in linea, e quindi senza una zona di accumulo di precursore PAN tra le due sezioni; b. detta sezione di filatura comprende una pluralità di moduli di filatura (M) allineati in una o più file (A, B), ciascun modulo di filatura (M) avendo una produttività non superiore al 10% della produttività totale della sezione di filatura; c. ogni singolo modulo di filatura (M), comprende una pluralità di rulli di rinvio e di trasporto (3-5), per trasportare le fibre a valle della zona di filatura in percorsi rettilinei a zig-zag che si sviluppano sia in direzione orizzontale che in direzione verticale, percorsi lungo i quali vengono effettuati i diversi trattamenti di filatura.
9. 9) Impianto di produzione come in 8, in cui singoli moduli (M) compresi in ognuna di dette file (A, B) di moduli sono leggermente sfalsati l’uno rispetto all’altro in direzione trasversale, di una misura corrispondente alla larghezza totale finale degli stoppini prodotti da ciascun modulo (M).
10. 10) Impianto di produzione come in 9, in cui dette file (A, B) di moduli (M) allineati sono reciprocamente sovrapposte e ogni fila (B) sovrapposta à ̈ complessivamente sfalsata in direzione trasversale rispetto alla fila (A) sottoposta, di una misura corrispondente alla larghezza totale finale del nastro di stoppini (NA) prodotto in detta fila (A) sottoposta.
11. 11) Impianto di produzione di fibre di carbonio come in 10, comprendente inoltre un traino a rulli (R) per allineare su uno stesso piano i nastri di stoppini (NA, NB) prodotti in ciascuna di dette file (A, B) di moduli di filatura (M).
12. 12) Impianto di produzione di fibre di carbonio come in 11, in cui detta velocità di uscita degli stoppini dalla sezione di filatura, a valle delle operazioni di stiro, à ̈ una velocità compresa tra 5 e 20 m/sec.
13. 13) Impianto di produzione di fibre di carbonio come in 11, in cui la produttività di ciascun modulo di filatura (M) non à ̈ superiore al 5%, e preferibilmente al 2,5% della produttività totale della sezione di filatura dell’impianto.
14. 14) Impianto di produzione come in 11, in cui in ciascun modulo di filatura (M) comprende: a. una vasca (1) disposta nella porzione inferiore del modulo e contenente un bagno di coagulo delle fibre PAN, nella quale sono immerse da 2 ad 8 filiere (2) affiancate lateralmente; b. almeno sei percorsi rettilinei sub-orizzontali tra rulli di rinvio e di trasporto (3), in progressione dalla porzione inferiore verso la porzione superiore del modulo, lungo i quali vengono rispettivamente svolti un trattamento di post-coagulo, un trattamento di pre-stiro, tre o più trattamenti di lavaggio e di stiro ad umido e uno o più trattamenti finali di finitura superficiale; c. due percorsi rettilinei verticali tra coppie di rulli di rinvio e di trasporto (4, 5), dalla sommità del modulo (M) fino alla base dello stesso e viceversa, lungo i quali vengono rispettivamente svolti i trattamenti di collasso e di stiro in vapore e quindi di distensione a vapore degli stoppini.