forum.technica.net - Fibre e Materie Prime

Negli ultimi 50 anni le fibre non disponibili direttamente in natura, ovvero realizzate dall'uomo (fibre man-made) hanno avuto una crescita notevole, in termini di prestazioni e di volumi prodotti.
Gli ultimi 30 anni hanno visto l'introduzione ed il progressivo successo di fibre ad elevate prestazioni sulla spinta di alcuni settori strategici che avevano bisogno di materiali avanzati con prestazioni speciali soprattutto per le caratteristiche meccaniche ed in fatto di resistenza al calore.
Si definiscono ad alte prestazioni (High Performance) le fibre progettate e realizzate per fornire prestazioni che le fibre tessili tradizionali non sono in grado di dare.
Si deve però notare come queste fibre debbano avere caratteristiche tessili e quindi, accanto alle prestazioni eccezionali per le quali sono state pensate e vengono impiegate, devono mostrare una buona attitudine ad essere inserite nei cicli tessili, anche se modificati. Le alte prestazioni fanno riferimento soprattutto al comportamento meccanico,a quello termico e chimico.
Negli ultimi anni sono nate e si sono sviluppate moltissime fibre con prestazioni notevoli, ciascuna caratterizzata da specifiche proprietà adatte a risolvere particolari problemi tecnici; si pensi alle fibre antibatteriche, alle fibre conduttrici d'elettricità , alle fibre biodegradabili.
Quindi le fibre ad alta resistenza meccanica o termica o chimica non esauriscono il quadro delle fibre oggi disponibili per molti impieghi che rientrano nella famiglia delle fibre ad alte prestazioni.
Si deve notare poi che molte delle applicazioni finali richiedono più di una caratteristica notevole: ad esempio la resistenza meccanica si deve accompagnare ad una buona resi-stenza alle elevate temperature quando il prodotto finito deve essere utilizzato in quelle condizioni.
Si ricercano sempre più prodotti polifunzionali e quindi materie prime con tali prerogative, anche se il compromesso tra le varie caratteristiche, spesso antitetiche tra loro, non è sempre possibile e non è mai facile.
Un altro elemento da sottolineare riguarda il costo delle fibre HP che è sempre elevato, se confrontato a quello delle normali fibre tessili: la scelta in loro favore è quindi molto legata al rapporto fra prezzo e prestazioni.
A fronte di prestazioni eccezionali delle fibre ad alte prestazioni presentano un costo più elevato delle fibre tradizionali ed il loro impiego può essere giustificato solo per prodotti ad alto valore aggiunto, nei quali le prestazioni fanno premio.
I settori principali d'’impiego di queste fibre sono ad esempio:
- abbigliamento protettivo (per resistenza al fuoco, al calore, protezione balistica, ecc.);
- veicoli aerospaziali, missilistica, auto da corsa, treni veloci;
- attrezzatura sportiva;
- industria elettronica, micromeccanica, ecc.
Recentemente si sta guardando alle fibre ad alte prestazioni anche per il settore delle costruzioni come rinforzo cemento e resine o per tensostrutture.
Sono molte le fibre ad elevate prestazioni proposte e molte di queste hanno proprietà meccaniche o termiche molto vicine o sovrapponibili.
Molte di queste hanno quindi una scarsa specificità e possono avere successo in funzione della semplicità di produzione, del ricorso o meno a prodotti ecologicamente rischiosi, ovvero del loro costo e quindi del loro prezzo.
Il futuro delle singole fibre HP si giocherà sulla specializzazione, sui costi e sulla risoluzio-ne dei limiti attuali della maggior parte delle fibre: resistenza chimica, alle radiazioni UV e resistenza alla compressione.
Un discorso a parte per le fibre veramente specialistiche praticamente uniche e per le quali non esiste di fatto una possibilità d'alternativa e quindi di scelta.
Le fibre di vetro, di carbonio, le aramidiche e quelle di polietilene hanno conquistato una nicchia sicura: altre come le fibre da poliarilati o PBO e PBZT hanno la possibilità d'affermarsi a patto di semplificare i processi produttivi e contenere i costi.
Tutte le fibre HP hanno ottime proprietà meccaniche lungo l'asse della fibra grazie allo sforzo che è stato fatto d'orientare le macromolecole lungo questa direzione.
Tuttavia altre proprietà , come quelle in direzione perpendicolare all'asse della fibra, risentono di questa disposizione nello spazio e sono ancora povere, come ad esempio la bassa resistenza alla compressione ed a fatica o la tendenza a fibrillare.

Le prime fibre ad alte prestazioni utilizzate nel tessile sono state quelle inorganiche, poi si sono affermate quelle a base organica e proprio queste ultime presentano un potenziale di crescita maggiore.
L'interesse per le fibre ottenibili da polimeri organici di sintesi è cresciuto con un ritmo accelerato nell'ultimo ventennio, soprattutto perché tali polimeri risultano particolarmente progettabili e quindi permettono di realizzare classi di fibre di eccezionale livello per quanto riguarda resistenza meccanica, termica, chimica, ecc.
La svolta decisiva è costituita dal fatto che intervenendo sui vari elementi, strutturali e di processo, si possono realizzare delle fibre con caratteristiche estraibili da un menu molto vasto.
Si deve comunque tener conto del fatto che in realtà l'esasperazione in una direzione pregiudica altre prestazioni e che quindi, di norma, si opera in una situazione di compromesso.

La prima fibra ad elevate prestazioni, sia tensili che termiche, è stata la fibra di vetro (1937) prodotta da Owens e Corning Glass che ha avuto una crescita del 15-25% ogni anno fino agli anni 1960-70, anni della comparsa sul mercato delle fibre di carbonio e delle fibre aramidiche.
Le fibre di vetro sono costituite prevalentemente di silice, ossido di calcio, ossido di alluminio, ossido di boro, ecc. ed appartengono alla famiglia delle fibre inorganiche.
Le fibre di carbonio, scoperte fin dal 1879 da Edison, sono state prodotte commercial-mente solo dal 1960 secondo un procedimento messo a punto da William Watt per la Ro-yal Aircraft in UK.
Le fibre di carbonio sono prodotte per modificazione di fibre organiche (rayon, acriliche, ecc.) o da residui di distillazione del petrolio o del catrame e possono essere considerate la transizione tra le fibre inorganiche e le fibre organiche. Infatti la struttura rigida delle molecole ad anelli ciclici delle fibre di carbonio sia da PAN che da peci ha suggerito come costruire molecole organiche aromatiche per ottenere fibre ad elevate prestazioni.
Vetro e carbonio hanno iniziato l'era dei materiali compositi e le fibre di carbonio in particolare quella dei materiali compositi avanzati, creati per l'impiego dapprima militare o aeronautico ed in seguito anche per prodotti dell'industria automobilistica e per sport e tempo libero.
Tutt'oggi, comunque, la fibra di vetro detiene il primo posto come fibra di rinforzo in termini di volumi, superiori al milione di tonnellate l'anno.
La vera rivoluzione nel mondo delle fibre ad alte prestazioni inizia con la comparsa sul mercato nel 1965 delle fibre aramidiche sviluppate da DuPont inizialmente come meta-aramidiche (Nomex), fibre con caratteristiche meccaniche quasi tradizionali ma con un'elevata temperatura di fusione e di decomposizione (600-80O°C).
Nel 1970 DuPont introduce sul mercato le fibre para-aramidiche (Kevlar) con caratteristiche meccaniche elevate aprendo così una nuova era di fibre ad elevate prestazioni tensionali e termiche. Nel 1993 la capacità di produzione globale di fibre para-aramidiche è stata di 40.000 ton comprendendo altri produttori quali Akzo con il Twaron e Teijin con il Technora.
Con le fibre poliammidiche aromatiche, o semplicemente aramidiche, si è compreso l'importanza di molecole rigide orientate lungo l'asse della fibra nella determinazione delle caratteristiche meccaniche e nella resistenza alla temperatura delle fibre.
Dopo le fibre aramidiche sono comparse sul mercato le fibre di poliestere aromatiche, le poli-immidi aromatiche e le fibre da polimeri eterociclici aromatici.
Un altro passo importante nel campo delle fibre ad elevate prestazioni è stato segnato (1986) dall'impiego di molecole flessibili, come il polietilene ad alto peso molecolare (U-HMWPE), per produrre fibre con elevato orientamento molecolare lungo l'asse della fibra usando un processo di filatura nuovo, gel spinning, sviluppato da DSM (NL) e che ha portato alle fibre Dyneema (DSM) e Spectra (Allied Signal) in USA.

Fibre ad alte prestazioni meccaniche
Fibre ad alte prestazioni termiche
Fibre ad alte prestazioni chimiche

Fibre ad alte prestazioni meccaniche

Le prestazioni meccaniche delle fibre tessili sono importanti anche per il tessile più tradizionale, perché condizionano la lavorabilità , l'uso, la manutenzione e l'invecchiamento dei capi tessili, ma sono fondamentali soprattutto per alcune applicazioni tecniche per le quali occorre utilizzare appunto fibre con caratteristiche eccezionali.
Le fibre particolarmente resistenti trovano un impiego crescente in moltissimi campi che vanno dalla protezione, ai rinforzi di matrici e di materie plastiche, alla realizzazione di prodotti industriali dove la resistenza deve abbinarsi alla leggerezza ed alla flessibilità , che sono i connotati distintivi del tessile.