STORIA DI SUCCESSO DEL CLIENTE
Test antincendio di fibre di poliacrilonitrile (PAN) stabilizzate
In futuro, l'analizzatore di indici di ossigeno NETZSCH TAURUS LOI 901 sarà utilizzato presso la Carbon LabFactory Saxony per analizzare le fibre PAN stabilizzate termicamente - note anche come fibre Preox - e per ricercare alternative sostenibili come i precursori a base di cellulosa o lignina"
Questa è la storia di successo di un cliente, raccontata dalla dott.ssa Claudia Vogt, ricercatrice associata all'Università Tecnica di Chemnitz presso il Dipartimento di Strutture Leggere e Tecnologia dei Polimeri nell'area di ricerca delle fibre di carbonio e delle tecnologie di lavorazione. La dottoressa riferisce delle indagini sulle future applicazioni delle fibre Preox utilizzando l'analizzatore di indici di ossigeno NETZSCH TAURUS LOI 901. L'indagine sulle fibre Preox sta diventando parte integrante del monitoraggio dei processi presso il centro di ricerca in fase di realizzazione a Boxberg, noto come Carbon LabFactory Saxony. In collaborazione con il laboratorio applicativo NETZSCH TAURUS è stato sviluppato un nuovo supporto per i campioni di fibre.
“NETZSCH offre un eccellente servizio clienti. Nella mia ricerca di un portacampioni adatto allo strumento per l'indice di ossigeno limitante LOI 901, ho notato che gli accessori non includevano un portacampioni in fibra. Dopo la mia richiesta, ho ricevuto subito le prime idee da NETZSCH per sviluppare un portacampioni personalizzato basato sul nostro materiale in fibra Preox.”
Informazioni sull'Università di Tecnologia di Chemnitz
La Chemnitz University of Technology (figura 1) è un'università cosmopolita con forti reti regionali, nazionali e internazionali. Ospita circa 2.300 dipendenti accademici e amministrativi e più di 8.600 studenti provenienti da circa 90 Paesi. È quindi la terza università più grande della Sassonia (a partire dal 2024).
Per quanto riguarda la percentuale di studenti stranieri, la Chemnitz University of Technology occupa una posizione di primo piano tra le università statali a livello nazionale. Chemnitz, capitale europea della cultura 2025, è tra le dieci migliori città tedesche in cui vivere, secondo un recente studio, e vanta un'eccezionale qualità della vita. La città ha anche un'alta percentuale di dipendenti altamente qualificati, dovuta in large parte alla presenza dell'università. L'Università di Tecnologia di Chemnitz è il cuore intellettuale della città e si è sviluppata in un luogo di ricerca di visibilità internazionale per i futuri processi di creazione di valore e lo sviluppo sostenibile.
Informazioni sul Carbon LabFactory Saxony
Il "Carbon LabFactory Saxony" (CLFS) di Boxberg, nell'Alta Lusazia, in Germania, è un progetto chiave dedicato alla ricerca e allo sviluppo di fibre di carbonio su scala pilota. Il nuovo impianto di ricerca si concentra sull'uso di alternative sostenibili ai precursori petrolchimici, come il poliacrilonitrile, utilizzando ad esempio la cellulosa o la lignina. Le fibre di carbonio sono prodotte in un processo termico a più fasi. Il CLFS considera anche l'intera catena del valore - dalla materia prima ai componenti finiti - e pone particolare enfasi sulla sostenibilità dei processi.
Al centro della ricerca del CLFS c'è la produzione di fibre di carbonio e la loro lavorazione, ad esempio con l'aiuto di macchine tessili che saranno disponibili anche in loco. La stabilizzazione e la successiva carbonizzazione di precursori come il poliacrilonitrile, la cellulosa o la lignina vengono effettuate in un impianto di carbonizzazione su scala pilota. Questo impianto è utilizzato per eseguire le fasi di processo essenziali per la produzione di fibre di carbonio di alta qualità. Il materiale precursore viene prima trattato termicamente in speciali forni di stabilizzazione a temperature comprese tra 150°C e 300°C. La carbonizzazione avviene poi in un'atmosfera di gas protettivo in due fasi: in un forno a bassa temperatura fino a 1200°C e poi in un forno ad alta temperatura fino a 2200°C. Regolando con precisione i parametri del processo, è possibile controllare e ottimizzare le proprietà della fabbricazione delle fibre di carbonio.
Riciclaggio e Upcycling
Un'altra area di ricerca orientata al futuro è lo sviluppo di materiali e prodotti riciclabili, comprese le strategie di riciclaggio e upcycling per aumentare l'efficienza delle risorse e ridurre al minimo l'impatto ambientale. L'obiettivo è creare cicli di materiali a ciclo chiuso, compreso il recupero dei materiali dai rifiuti di produzione.
Il CLFS, che sarà istituito come sede distaccata dell'Università di Tecnologia di Chemnitz nell'Alta Lusazia (figura 3), darà un contributo significativo alla trasformazione sostenibile di una regione che è stata gravemente colpita dal cambiamento strutturale provocato dal phase out del carbone. La collaborazione con l'Istituto Fraunhofer per la Ricerca Applicata ai Polimeri(Fraunhofer IAP) e l'Università Tecnologica di Brandeburgo Cottbus-Senftenberg (BTU) creerà un'efficiente infrastruttura di ricerca che consentirà di sviluppare prodotti leggeri innovativi a partire da nuovi tipi di fibre di carbonio. L'obiettivo principale dello IAP è la produzione di precursori sostenibili, ad esempio dalla cellulosa, e la loro conversione su scala di laboratorio.
La ricerca a Boxberg si concentrerà in particolare sulla scalabilità industriale delle tecnologie. La scala dell'impianto pilota faciliterà il trasferimento dei processi e dei materiali sviluppati alle applicazioni industriali. Ciò richiede una stretta collaborazione tra gli istituti di ricerca e i partner industriali per garantire che le soluzioni sviluppate siano economicamente valide e sostenibili.
Con gli approcci e le opportunità descritte, il "Carbon LabFactory Saxony" sta assumendo un ruolo di primo piano nello sviluppo europeo delle fibre di carbonio sostenibili. Grazie al suo approccio olistico, che comprende l'intera catena del valore e punta all'innovazione ecologica, il CLFS contribuisce a un futuro in cui le fibre di carbonio non sono solo performanti, ma anche rispettose dell'ambiente. In questo modo dà un importante contributo agli obiettivi climatici europei e a un futuro senza emissioni di gas serra.
Claudia, ti prego di presentare te stessa e il tuo settore di ricerca e applicazione.
Mi chiamo Claudia Vogt. Ho conseguito un dottorato in chimica e dall'agosto 2023 lavoro come assistente di ricerca presso il Dipartimento di Strutture Leggere e Lavorazione dei Polimeri (SLK) della Chemnitz University of Technology, in particolare nell'area di ricerca delle fibre di carbonio e delle tecnologie di lavorazione.
Attualmente sono coinvolto nella pianificazione del laboratorio della Carbon LabFactory Saxony e in seguito sarò principalmente responsabile delle questioni relative all'analisi chimica delle fibre di carbonio, delle loro fasi intermedie (fibre Preox) o dei prodotti finali (ad esempio, compositi, tessuti). L'ampia gamma di apparecchiature analitiche a nostra disposizione spazia dai test di ritardo di fiamma con LOI all'analisi termica (ad esempio, STA, TMA) e alla determinazione delle proprietà superficiali con la tensiometria. Il nostro team lavora a stretto contatto e anche mano nella mano.
Da quanto tempo dura la collaborazione con NETZSCH?
La cattedra SLK collabora con NETZSCH da molti anni. Utilizzano abitualmente strumenti di analisi termica (TGA, DSC) per risolvere problemi nel campo dei polimeri.
Perché ha scelto NETZSCH? Avete sperimentato il nostro servizio di assistenza e supporto clienti?
Oltre a una vasta gamma di strumenti, NETZSCH offre anche un eccellente servizio clienti. Nella mia ricerca di un portacampioni adatto allo strumento per l'indice di ossigeno limitante, ho notato che gli accessori non includevano un portacampioni in fibra. Dopo la mia richiesta iniziale, ho ricevuto subito l'offerta di sviluppare un portacampioni personalizzato in base al materiale del campione. In breve tempo, ho ricevuto le idee iniziali per questo portacampioni dal laboratorio di sviluppo NETZSCH.
Il portacampioni personalizzato per il sito NETZSCH LOI 901
Stephan Strickmann, Sales and Application Solutions for Fire Testing di NETZSCH, riferisce:
"In qualità di esperto di strumenti di prova del fuoco e di conducibilità termica, NETZSCH TAURUS è specializzato nella produzione di strumenti di alta precisione. Tra questi c'è LOI 901, che viene utilizzato per valutare il comportamento alla combustione dei materiali determinando l'indice di ossigeno (LOI = limiting oxygen index) in conformità alle norme ISO 4589-2 e ASTM D 2863. L'Università di Tecnologia di Chemnitz ci ha contattato con la richiesta di poter eseguire test specifici sul comportamento al fuoco delle fibre Preox (figura 5), un materiale speciale. Per soddisfare le caratteristiche uniche di questo campione, abbiamo sviluppato e utilizzato un portacampioni speciale per le prove. L'obiettivo era quello di documentare la metodologia, l'impostazione e i risultati di questi test, che forniscono dati preziosi sul comportamento al fuoco delle fibre Preox a temperatura ambiente"
Le fibre Preox rappresentano una sfida particolare nelle prove di comportamento al fuoco a causa della loro natura fine e filamentosa. Per garantire l'integrità del campione durante il test, è stato progettato e realizzato con cura uno speciale portacampioni.
Questo portacampioni personalizzato garantisce una presa sicura delle fibre Preox, consentendo misurazioni precise e affidabili del loro comportamento al fuoco per un test di successo.
Risultati
Durante il test, la temperatura ambiente è stata attentamente controllata e mantenuta a 23 ± 2°C per garantire condizioni ottimali. Normalmente, la concentrazione iniziale di ossigeno per il test viene scelta in base alla nostra vasta esperienza con materiali simili. Poiché all'epoca avevamo poca esperienza con le fibre Preox, abbiamo consultato la letteratura in materia e abbiamo scoperto che questo materiale ha un LOI notevolmente elevato, spesso superiore al 45%.
Per sicurezza, abbiamo iniziato i test con una concentrazione di ossigeno del 40%. A questo livello non è stata osservata alcuna accensione delle fibre di Preox. Abbiamo poi aumentato gradualmente la concentrazione di ossigeno, monitorando attentamente ogni passaggio. Tra il 40% e il 45% di ossigeno non si sono verificate fiamme visibili, ma il campione ha mostrato segni di degradazione termica: si è sciolto e poi è scomparso, indicando una conversione significativa senza combustione.
La prima combustione sostenuta si è verificata a una concentrazione di ossigeno di circa il 60%. A questo livello, la fibra Preox si è accesa e ha bruciato in modo uniforme, confermando il suo maggiore fabbisogno di ossigeno per l'accensione rispetto ad altri materiali convenzionali. Sono in corso ulteriori test per determinare l'indice di ossigeno finale. Questo risultato iniziale è coerente con il vantaggio riportato di un alto valore di LOI, che evidenzia la resistenza alla combustione in ambienti a basso contenuto di ossigeno.
Claudia, ci parli della sua applicazione specifica. In che modo i risultati vi aiuteranno a migliorare la ricerca, il controllo qualità, lo sviluppo e la produzione?
Come già detto, la produzione di fibra di carbonio è un processo termico a più fasi. La prima fase, in cui il materiale precursore viene stabilizzato termicamente, è particolarmente cruciale per il poliacrilonitrile. Senza questo pretrattamento, le fibre di poliacrilonitrile sarebbero soggette a degradazione in presenza di forti sollecitazioni termiche. La complessa trasformazione strutturale delle fibre di PAN in fibre di Preox è quindi un prerequisito per la produzione di fibre di carbonio da PAN. Questo processo di stabilizzazione termica può essere controllato da diversi fattori di influenza (ad esempio, velocità di riscaldamento, profilo di temperatura). Il LOI (figura 7) viene utilizzato per verificare il grado di stabilizzazione delle fibre Preox. Più alto è il LOI delle fibre Preox esaminate, più promettenti sono i parametri di processo utilizzati. Questo approccio consente di regolare rapidamente i parametri di processo durante le campagne di ricerca in corso. Serve anche come controllo costante della qualità della fase intermedia della fibra di carbonio.
Cara Claudia, grazie mille per i tuoi approfondimenti su questa ricerca innovativa. Saremo lieti di ricevere presto ulteriori notizie e risultati di ricerca dal Carbon LabFactory Saxony.
Informazioni su NETZSCH LOI 901
Le materie plastiche presentano vantaggi specifici rispetto ad altri materiali come i metalli, le ceramiche o i materiali naturali, soprattutto nell'industria automobilistica, aerospaziale, elettronica e delle costruzioni, perché sono più leggere, più versatili, più resistenti alla corrosione e, a seconda dei requisiti, elettricamente conduttive o isolanti e spesso più economiche.
Il comportamento al fuoco dei polimeri utilizzati gioca un ruolo importante nella valutazione della sicurezza e dell'applicabilità di componenti e assemblaggi. Se un componente in plastica si incendia, il rilascio di gas ampiamente tossici durante la combustione e la rapida propagazione dell'incendio possono portare rapidamente a situazioni pericolose e letali per le persone e l'ambiente.
LOI 901 è uno strumento altamente preciso per determinare il comportamento di combustione dei polimeri in conformità agli standard riconosciuti ISO 4589-2 e ASTM D2863. Lo strumento è dotato di una speciale camera di combustione e utilizza un'atmosfera controllata di ossigeno per determinare l'indice di ossigeno, l'infiammabilità delle materie plastiche, il tempo di combustione e la distanza di combustione.
