Produzione e caratterizzazione di compositi C-SiOC

1.1 - Introduzione 
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Il carbonio è molto abbondante in natura allo stato solido, circa lo 0.025 % della crosta terrestre, è 
presente sia come elemento libero (diamante, antracite, grafite, carbone di legno e carbone fossile, 
questi ultimi sono forme monocristalline di grafite) che come composto (carbonati, idrocarburi e 
composti organici). 
Considerando esclusivamente la prima tipologia di solido possiamo schematizzare le varie strutture 
di carbonio come segue: 
Fig. 1.1 Strutture allotropiche del carbonio 
L’interesse del nostro studio verte sulla grafite, pertanto ometteremo le altre strutture. 
La grafite è nota sin dal 1789 d.C., il nome deriva dal greco γράφειν (grafein), scrivere, venne 
chiamata anche "mica dei pittori", sia per il suo aspetto lamellare, sia per la caratteristica di lasciare 
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tracce su carta. 
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 Rino A. Michelin – Andrea Munari – Complementi di chimica inorganica – CEDAM 2005 
2
 http://it.wikipedia.org/wiki/Grafite 
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La grafite è già presente in natura, la si può trovare sottoforma di: 
• Fiocchi o lamelle cristalline; 
• Polveri sottili di grafite amorfa; 
• Aggregati aciculari o fibrosi di origine idrotermale. 
Essa, inoltre, può essere prodotta artificialmente, partendo da materie grezze, ad esempio carbone e 
pece. In base ai parametri caratteristici del processo produttivo, quali: 
• Pressione esercitata e tipologia (lungo una o piø direzioni); 
• Temperatura; 
• Tempo di mantenimento alle condizioni considerate. 
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è possibile ottenere varie forme di grafite, come indicato in Fig. 1.2, con un sempre maggior grado 
di anisotropia della struttura risultante. 
Fig. 1.2 Struttura del reticolo della grafite in base ai parametri di processo produttivo. 
La struttura desiderata varia a seconda delle applicazioni finali che il materiale dovrà soddisfare, di 
conseguenza il processo produttivo stesso. 
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 http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1630#_Synthetic_Graphite 
4
 http://www.sglgroup.com 
3 
1.2 - Produzione 
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I processi per la produzione di grafite possono essere classificati in base al tipo di lavorazione e 
materiale di partenza in: 
• Modellamento di grafiti; 
• Carbonizzazione di precursori (polimeri organici); 
• Deposizione di grafiti pirolitiche. 
Un discorso a parte andrebbe fatto per le fibre di carbonio, che non rientrano, però, nell’interesse 
del nostro studio. 
1.2.1 Modellamento di grafiti 
La qualità del pezzo finito dipende principalmente dall’impasto di partenza: 
• Riempitivi: costituito di materiali a base di carbonio che grafitizzano rapidamente, 
generalmente si utilizza coke proveniente dalla distillazione di petrolio, questo, viene 
ottenuto, variando la percentuale di petrolio e i parametri operativi, in tre diverse qualità: 
o Coke aciculare: eccelso grado di qualità, di forma aciculare, utilizzato per 
applicazioni richiedenti elevate resistenze a shock termici e basse resistività 
elettriche; 
o Coke per anodi: per applicazioni basso-prestazionali; 
o Coke isotropico: per ottenere isotropia e struttura a grana fine; 
• Leganti: il piø comune è la pece, materiale duro, fragile e vetroso ricavato da distillazione o 
trattamento a caldo di catrame (scarto di lavorazione metallurgica). I parametri che 
influenzano grafitizzazione e qualità sono il punto di rammollimento e la percentuale di 
complessi insolubili di chinolina (CHN) contenuta. Altri leganti sono pece da petrolio e 
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resine termoindurenti, utilizzati per applicazioni speciali. 
Un processo produttivo tipico può essere riassunto nel seguente diagramma di flusso: 
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 Hugh O.Pierson - Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullrenes – Noyes Publications – New Jersey – 1993. 
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Fig. 1.3 Diagramma di flusso relativo a processo per stampaggio di grafite 
La dimensione della grana ottenuta dopo macinazione in mulino va ad influire sulle proprietà finali 
del monolite secondo la seguente scala: 
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Grado Dimensione Proprietà 
bassa densità 
bassa dilatazione termica 
Grana media da 0.15 cm a 1.25 cm 
bassa resistenza meccanica 
alta permeabilità 
media 
media dilatazione termica 
Grana fine da 0.05 a 0.15 cm 
media resistenza meccanica 
media permeabilità 
alta densità 
alta dilatazione termica 
Micrograni da 0.75 µm a 1 µm 
alta resistenza meccanica 
bassa permeabilità 
Tab. 1.1 – Proprietà del monolite ottenuto in base alla granulometria delle polveri di partenza. 
La miscelazione può essere fatta a basse temperature, con l’ausilio di solventi come acetone, o a 
temperature maggiori (160-170° C, anche 350° C per applicazioni particolari), ma a secco. 
La formatura viene eseguita poco sopra il punto di rammollimento, 125° C, per evitare distorsioni 
del reticolo da parte della pece. In base alla tecnica di modellamento utilizzata si avranno diversi 
risultati: 
Tecnica Caratteristiche 
Proprietà anisotrope 
Sezione trasversale non uniforme 
Presenza di vuoti lineari e planari 
Estrusione 
Limitata geometria 
Produzione di pezzi di grandi dimensioni 
Processo economico 
Sezione trasversale non uniforme 
Effetti di bordo 
Compressione uni o biassiale 
Presenza di vuoti lineare e lamellari 
Processo economicamente intermedio 
Proprietà isotrope 
Sezione trasversale uniforme 
Pressione isostatica 
Assenza di vuoti e difetti 
Alti costi di produzione 
Tab. 1.2 – Proprietà del monolite in base al tipo di formatura scelto. 
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densità
A seconda dell’applicazione avvengono varie impregnazioni per aumentare la caratteristica 
desiderata, il caso principale riguarda l’aumento di densità mediante impregnazioni di pece e 
conseguente occlusione totale o parziale della porosità aperta. Si possono, poi, privilegiare 
caratteristiche differenti con impregnazioni differenti, come nel caso di impregnazioni con argento 
liquido o fluoruro di litio per incrementare le caratteristiche di conducibilità elettrica. La cottura in 
forno varia dai 600° C ai 900° C con un ritiro del 6% circa, mentre la grafitizzazione avviene a 
3000° C. 
1.2.2 Grafitizzazione da precursori (carbonio vetroso) 
A differenza del processo visto in precedenza, in questo si utilizzano precursori che non 
grafitizzano rapidamente e che conferiscono, sostanzialmente, proprietà isotropiche. Questa 
tecnologia relativamente giovane, 1960, garantisce risultati finali migliori per quanto riguarda 
carico di rottura e resistenza ad attacchi chimici, nonchØ una struttura completamente amorfa. La 
grafite così ottenuta viene chiamata anche carbone polimerico per via dei polimeri organici che 
fungono da precursori: 
• Alcol polifurfurilico: è una resina termoindurente comunemente usata per l’impregnazione 
di grafiti destinate ad elettrodi; 
• Composti fenolici: dalla tipica struttura (COH), sono ottenuti per reazione di 
15220n
condensazione tra fenolo e formaldeide con eliminazione di acqua, a circa 250°C reticolano 
formando una struttura rigida e divenendo insolubili; 
• Poliimmidi: di formula (CHON)n è un precursore inusuale in quanto in fase di 
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grafitizzazione crea una struttura altamente orientata; 
• Poliacrilonitrile: meglio conosciuto come PAN, è utilizzato nella produzione di fibre; 
• Cellulosa: rappresenta il maggior costituente di piante ed alberi, molto conosciuto il 
Rayon® e il cotone, viene utilizzato anch’esso nella produzione di fibre. 
Qualsiasi sia il precursore di partenza deve garantire determinate ed importanti caratteristiche: 
• Deve originare una struttura reticolata nelle tre dimensioni; 
• Deve garantire la carbonizzazione completa ed in stato solido, evitando la formazione di 
mesofasi intermedie; 
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• Deve avere elevato peso molecolare e grado di aromaticità per garantire un’alta resa di 
carbonizzazione. 
Miscelando con solventi od opportuni materiali si ottiene una amalgama, una volta portata alla 
temperatura desiderata, questa, viene processata secondo le normali tecnologie plastiche (iniezione, 
stampaggio, estrusione, pressione isostatica ecc.). 
Il processo di reticolazione avviene in atmosfera inerte partendo da temperatura ambiente e 
raggiungendo i 1000°-1400° C a velocità inferiori ai 5°C/min. Tale trattamento prende il nome di 
carbonizzazione, in questa fase si ha la completa trasformazione dei precursori con eliminazione di 
altre specie chimiche e conseguente perdita di peso e ritiro volumetrico (Fig 1.4 e 1.5). 
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Fig. 1.4 Perdita di peso per resina fenolica sottoposta a trattamento. 
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 Hugh O.Pierson - Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullrenes – Noyes Publications – New Jersey – 1993. 
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Fig. 1.5 Restringimento volumetrico e lineare per resina fenolica sottoposta a trattamento. 
Successivamente si procede con la grafitizzazione, in un intervallo di temperature da 1800° C a 
3000° C a seconda delle applicazioni. 
Mediante questa tecnologia produttiva è possibile ottenere anche schiume di carbonio, riempitivi 
(solitamente sferici) a bassa densità per plastiche e isolatori termici ad alta temperatura. 
1.2.3 Grafite pirolitica 
La tecnologia in questione è totalmente differente dalle due viste sopra in quanto si avvale di 
precursori fluidi, si parla, infatti, di CVD ovvero di deposizione di sostanze in fase vapore. In 
questo caso, inoltre, non si parla di veri e propri monoliti, bensì di strati nanometrici che vanno a 
ricoprire il componente desiderato, questo può essere a sua volta di grafite, ottenuto mediante i 
processi visti in precedenza. 
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 Hugh O.Pierson - Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullrenes – Noyes Publications – New Jersey – 1993. 
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Il rivestimento ottenuto conferisce al pezzo le proprietà caratteristiche della grafite, andando a 
migliorare meccanicamente (usura, attrito, durezza, ecc.), chimicamente (diffusione e corrosione), 
elettricamente (resistività), fisicamente (porosità e densità) ed otticamente (riflettenza) le 
prestazioni finali. 
Questo tipo di tecnologia, tuttavia, non è di nostro interesse in quanto mira alla produzione di 
rivestimenti con determinate proprietà e non di monoliti, pertanto, non ci addentreremo oltre nella 
spiegazione di tale argomento. 
1.3 - Classificazione e settori di applicazione 
La grafite è un materiale profondamente personalizzabile, questo comporta una difficile 
classificazione delle varie tipologie reperibili in commercio. Si nota, infatti, una certa 
corrispondenza con gli acciai, dove l’identificazione avviene per campi di applicazione (acciai per 
cuscinetti, per molle, da bonifica, speciali, per utensili, ecc.). Così, anche per le grafiti, nel nostro 
caso sintetiche, è possibile abbozzare una lista che le distingua per settore di applicazione. 
In base alle peculiarità del materiale (basso attrito, resistenza termica, conducibilità elettrica, 
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conduttività termica, resistenza a radiazioni ed altro) possiamo elencare le seguenti tipologie di 
applicazioni per grafiti: 
• Spazzole di grafite: vengono sfruttate le proprietà di conduttività elettrica, basso attrito e 
auto-lubrificazione: 
o Per motori elettrici, fatte di grafite estremamente pura; 
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 http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=applications_of_graphite 
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